一种基于超构透镜的三维显微成像方法和装置

本发明涉及一种基于超构透镜的三维显微成像方法和装置，属于光学显微成像与光学操控。

背景技术：

1、点扩散函数描述了成像系统对于点源或者点对象的响应，三维点扩散函数将深度信息编码在探测图像的不同形貌特征中，利用已知的点扩散函数信息还原二维像平面上每个横向位置所对应的轴向信息。目前现有的三维点扩散函数调制方法主要是对光瞳函数的振幅透过率与相位透过率进行设计，在系统的出瞳平面处引入对应的振幅、相位调制，便可以实现对系统点扩散函数的调节。

2、光场的调控通常由传统的光场调控元件来实现，包括振幅/相位掩膜版、空间光调制器、变形镜以及数字微镜器件等等，其中最常用的是空间光调制器，其相位结构的量化等级分布以及调控单元的结构特征决定了零级衍射光斑的存在，零级衍射光斑往往占据了很大一部分的能量，并且经常与调制后的有效图像混叠，使得显示的图像变得昏暗、模糊，严重降低成像质量。此外，空间光调制器体积较大，使得三维成像光学系统无法集成。

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术中，空间光调制器成像质量差、不利于集成且成本较高的问题，提供了一种基于超构透镜的三维显微成像方法和装置。

2、本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

3、一种基于超构透镜的三维显微成像方法，包括下列步骤,

4、步骤1，制作具有双螺旋点扩散函数特性的超构透镜；

5、步骤2，以所述超构透镜为核心搭建进行双螺旋点扩散函数调制的三维显微成像装置，获得双螺旋图像；

6、步骤3，以所述双螺旋图像中双螺旋光斑的中点确定待测样品的横向位置，两光斑中心连线的夹角确定待测样品的轴向位置。

7、优选的，所述步骤1中，制作所述超构透镜的方法如下，

8、步骤11，通过进行仿真运算，在超构透镜的超构表面基本单元结构的周期和纳米棒高度一定的情况下，通过改变纳米棒长度和宽度，在适于加工的尺寸范围内寻找交叉极化透射率最大的长度和宽度，作为几何相位的单元结构；

9、步骤12，将超构透镜的相位叠加双螺旋点扩散函数相位生成双螺旋超构透镜，所述双螺旋超构透镜的相位分布是通过叠加不同模式数的拉盖尔-高斯光束得到，对于所述双螺旋超构透镜的相位分布通过光瞳平面、点扩散函数平面、拉盖尔-高斯模式平面，分别采用优化条件进行约束，得到优化后的双螺旋点扩散函数相位分布，将在优化后的双螺旋点扩散函数相位分布叠加能够产生聚焦效果的透镜相位，得到不同数值孔径的双螺旋点扩散函数超构透镜相位分布；

10、步骤13，根据所述步骤11选取的超构透镜单元结构，结合根据所述步骤12得到的不同数值孔径的双螺旋点扩散函数超构透镜相位分布，形成双螺旋超构透镜的加工文件；

11、步骤14，对所述步骤13得到的所述超构透镜的加工文件，采用电子束光刻结合反应离子束刻蚀的方式进行加工，从而得到具有双螺旋点扩散函数特性的超构透镜。

12、优选的，所述步骤11中超构表面基本单元结构，采用蓝宝石晶体(al2o3)作为基底，所述基底上具有以高折射率材料si构成的纳米棒，所述纳米棒的周期p＝400nm、高度h＝360nm，在632nm入射波条件下，所述交叉极化透射率最大，此时所述纳米棒长l＝130nm，宽w＝100nm。

13、优选的，所述步骤12中，所述拉盖尔-高斯光束模式为，

14、

15、为归一化径向坐标，为光斑的归一化半径，w0为束腰半径，为利用瑞利距离归一化的轴向坐标，，为入射光波长，式中：

16、

17、

18、φm(φ)＝exp(imφ)

19、

20、为古依相位，为拉盖尔多项式，n和m为拉盖尔-高斯模式数，双螺旋点扩散函数中，nm满足n＝|m|，|m|+2，|m|+4，|m|+6，....，选取拉盖尔-高斯模式(m，n)中的(1，1)，(3，5)，(5，9)，(7，13)，(9，17)进行等权重叠加，即可得到双螺旋点扩散函数的相位和强度。

21、优选的，所述步骤12中，所述不同数值孔径的双螺旋点扩散函数超构透镜相位分布，可表示为：φ＝φlens+φdhpsf，

22、透镜相位可表示为：

23、

24、其中λ是入射光波长，x和y是平面内的位置坐标，f是透镜焦距。

25、优选的，所述步骤14中，对超构透镜的加工文件进行加工的方法如下，

26、步骤141，选用蓝宝石厚度为360nm的单晶硅外延片作为加工材料基板；

27、步骤142，将电子束光刻胶pmma a4以每分钟3000转(rpm)的速度旋转涂覆在所述加工材料基板上，获得光刻胶基板；

28、步骤143，采用电子束光刻技术，在30kv的加速电压，360pa的束流，100×100μm2的写入场条件下，在所述光刻胶基板上制备对应的超透镜掩膜，获得超透镜掩膜样品；步骤144，将所述超透镜掩膜样品暴露在25％四甲基氢氧化铵(tmah)溶液中，依次进行室温(25℃)浸泡2min、去离子水漂洗20s、异丙醇(ipa)溶液中浸泡10s，再用氮气吹干，获得硅膜；

29、步骤145，利用电感耦合等离子体反应离子刻蚀将图案转移到所述硅膜上，获得具有图案的硅衬底；

30、步骤146，将所述具有图案的硅衬底浸入10％氢氟酸(hf)中浸泡15s，去除残留的光刻胶掩膜，用去离子水清洗，使用氮气吹干，得到加工的超构透镜。

31、优选的，所述步骤145中，等离子体反应离子刻蚀的方法如下，

32、步骤1451，使用四氟化碳(cf4)在100w icp功率和100w偏置功率，气体流量为45sccm持续5s，去除所述硅衬底表面的氧化层；

33、步骤1452，利用溴化氢气体(hbr)刻蚀硅，此时设置气体流量为100sccm，400w icp功率，100w偏置功率，以83nm/min的速度刻蚀硅，蚀刻过程中所述硅衬底工作台温度设定为20℃，腔室压力设定为10mtorr，获得具有图案的硅衬底。

34、一种基于超构透镜的三维显微成像装置，所述三维显微成像装置在沿光线传播的同一水平方向依次设有照明模块、样品载物台、成像模块以及采集模块，所述照明模块包括led光源、准直透镜、偏振片、四分之一波片以及会聚透镜，且沿光线传播的同一水平方向依次设置，所述样品载物台设有透射式样品，所述成像模块包括超构透镜、显微物镜、右旋圆偏振片以及管镜，且沿光线传播的同一水平方向依次设置，所述超构透镜采用权利要求2-7中任一项所述的超构透镜。

35、一种基于超构透镜的三维显微成像装置，所述三维显微成像包括照明模块、样品载物台、成像模块以及采集模块，且所述样品载物台、成像模块以及采集模块依次竖向设置，所述照明模块包括led光源、准直透镜、偏振片、四分之一波片以及会聚透镜，且沿光线传播的同一水平方向依次设置，所述样品载物台设有反射式样品，所述成像模块竖向依次设有显微物镜一、半反半透镜、管镜一、超构透镜、显微物镜二、右旋圆偏振片以及管镜二，所述半反半透镜与所述照明模块位于同一水平线上，且位于所述会聚透镜之后，所述超构透镜设在,所述超构透镜采用权利要求2-7中任一项所述的超构透镜。

36、优选的，所述超构透镜的焦距f与物距a和像距b之间的关系满足高斯公式。

37、

38、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

39、1.本发明的成像装置，结合超构表面高度集成化的特性，将产生双螺旋点扩散函数调制的相位与超构透镜相位叠加而得到双螺旋超构透镜，大大提高了系统的集成化程度。不仅能够替代传统的点扩散函数中与空间光调制器与4f系统结合的设置，使元件体积大幅缩小，降低了系统的复杂程度而具有易于集成的优点，有利于设备的集成化和微型化，使系统更易于集成，满足当下三维检测系统的使用需求；同时还克服了空间光调制器存在零级衍射光斑影响成像质量，而具有无零级衍射光斑、成像效率高的优点。

40、2.本发明中，可兼容半导体加工工艺的超构表面，在大规模生产时，成本远远低于由控制器、液晶面板和通信模块等部分组成的空间光调制器，导致整个系统成本大幅下降，增加其实用性。

41、3.本发明的成像装置，将样品的三维信息编码在双螺旋光斑两个主瓣的旋转角度上，通过对采集到的二维强度信息进行解算，在获得成像平面二维形貌分布的同时也可以获得三维的深度信息，从而根据简单的处理得到待测样本的三维形貌。

42、4.本发明的成像装置，采用二次成像系统，可以进一步提高成像图案的分辨率。