一种超分辨结构探测共焦相干成像装置及其成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及成像装置及其成像方法，具体涉及一种超分辨结构探测共焦相干成像 装置及其成像方法，属于光学精密测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 光学显微术是一种历史悠久且十分重要的无破坏性技术，被广泛应用于生物和材 料科学等领域。共焦显微测量技术是一种适用于微米及亚微米尺度测量的三维光学显微技 术。反射式共焦显微系统的层析能力使之在三维成像领域显得十分重要。
[0003] 在20世纪50年代中后期，共焦显微镜由Minsky发明，1977年，C.J.R. Sheppard和 A.Choudhury首次阐明共焦显微系统在点针孔掩模的作用下，以牺牲视场为代价，使横向分 辨率提高到相同孔径普通显微镜的1.4倍。此后，共焦显微测量技术受到普遍关注，成为了 显微科学领域的重要分支。
[0004] 但是，传统共焦技术一直受到探测器尺寸的影响，共焦显微技术的分辨力难以提 尚。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了解决现有共焦显微技术的分辨力难以提高，共焦成像不清晰 的问题。
[0006] 本发明的技术方案是:一种超分辨结构探测共焦相干成像装置，包括激光光源，沿 激光光源光线传播方向依次设有准直扩束器、分光棱镜、1/4波片、扫描系统、照明物镜、工 业样品、收集透镜和CCD探测器，整个光路的成像过程为相干成像。
[0007] 所述扫描系统包括扫描振镜，扫描振镜改变光束偏转角在工业样品的物面进行扫 描。
[0008] 基于所述一种超分辨结构探测共焦相干成像装置的成像方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤一、利用CCD探测器的探测函数获得共焦系统的积分光强；
[0010]步骤二、根据步骤一所述的积分光强获得共焦系统的三维振幅点扩散函数；
[0011] 步骤三、对步骤二所述的三维振幅点扩散函数进行二维傅里叶变换，获得共焦系 统的二维相干传递函数；
[0012] 步骤四、将得到的探测结果，用三相位线性分离方法进行重构，得到超分辨图像。
[0013] 所述步骤一具体包括:所述探测面采用非均匀探测方式，使得探测面内探测灵敏 度系数成正弦分布，探测光斑光强在半径为艾里斑半径的圆函数内乘以正弦分布的探测系 数，得到共焦系统的积分光强。
[0014] 所述探测面采用非均匀探测方式，在探测面区域内进行积分，改变对应探测位置 的光灵敏度系数，进而使探测函数成正弦分布，在该系统中，由于探测函数为正弦分布，探 测函数频谱与普通共焦系统相比有效宽度增加，从而能够使系统CTF带宽增大，系统横向分 辨力显著提高在能发挥反射式共焦显微系统的层析能力的同时充分发掘共焦系统的横向 分辨潜力。
[0015] 所述步骤二获得共焦系统三维振幅点扩散函数的方法包括:将步骤一所述的积分 光强转换成三维卷积形式后取平方根，在薄样品测量中，可以认为聚焦光斑内等相位，则 CCD探测器采集到的光强分布的平方根即可近似的表示振幅分布。
[0016] 所述扫描系统在扫描过程中探测光斑在探测面的位置不变。
[0017] 所述探测光斑光强开方根在半径为艾里斑半径的圆函数并对计算后的圆函数内 光强积分实现针孔探测，利用该方法替代了现有共焦系统中的探测器前的针孔，实现了针 孔探测功能。
[0018] 本发明与现有技术相比具有以下效果:本发明超分辨结构探测共焦相干成像装置 与中，不需要普通共焦系统中探测面的针孔;在探测面特定区域进行积分，改变对应探测位 置的光灵敏度，探测函数成正弦分布，使探测区域和普通共焦中针孔区域相同；本发明创造 性的将结构探测成像方法与共焦相干显微系统相结合，提高了共焦相干成像系统的空间截 止频率，拓宽空间频域带宽，从而显著改善成像系统横向分辨力，适用于工业形貌成像的测 量领域。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明超结构探测共焦相干成像装置结构示意图；
[0020] 图2是ΝΑ = 0.1，λ = 660ηπι，探测面针孔半径匕时，基本共焦相干显微系统 ΝΑ 的探测面频谱归一化仿真图；
[0021] 图3是ΝΑ = 0 · 1，λ = 6 6 0 nm，探测面针孔半径rd二2^ ,探测函数 MA /..H/·) = (1./16 + 005(271/:,r+p;J+cos(2<J' +氕))circ(r/r,,,)Rz)，/。二.早 Λ 干系统探测面频谱归一化仿真图；
[0022] 图4是NA = 0.1，λ = 660ηπι，探测面针孔半径& = 时，基本共焦相干显微系统 jfV/1 的CTF归一化仿真图；
[0023] 图5是NA = 0 · 1，λ = 6 6 0 nm，探测面针孔半径二·^^，探测函数 NA ΜΛ ])(,·) = (Ι/?6 + cos(27r/：.x+i3,, )+008(231/.^^+ 0.))circ(r / r, )d'(z) , /, , A 干系统CTF归一化仿真图；
[0024] 图6是N A = 0 · 1，λ = 6 6 0 n m，探测面针孔半径/:,.二^^ 探测函数 NA /)(/·) = (1/164 cos(23i；/；,A-U；..)+ cos(2.+ ))circ(r / r, )δ{ζ) , /： = ^ , ^? ?? Λ^ffi A- 干系统CTF与基本共焦相干系统CTF在fx方向对比归一化仿真图；
[0025] 图7是X方向和y方向上间隔为3.5um的条纹样品仿真图； M (S I A
[0026] 图8是条纹样品在ΝΑ = 0.1，λ = 660ηπι，探测面针孔半径〃 时的基本共焦相 NA 干显微系统中所探测到的频谱仿真图；
[0027] 图9是条纹样品在ΝΑ = 0.1，λ = 660ηηι，探测面针孔半径.rd.二^^时的基本共焦相 干显微系统中所成像振幅归一化仿真图；
[0028] 图10是条纹样品在NA = 0.1，λ = 660ηπι，探测面针孔半径= ,探测函数 D{r) = (l/16 + cos(2x/,,x+v),+ , ft) ^--0^ . λ 相干显微系统中所探测到的频谱仿真图；
[0029] 图11是条纹样品在ΝΑ = 0.1，λ = 660ηπι，探测面针孔半径匕二·^·,探测函数 ΝΑ ΝΛ D{r) = (1/16 + ε〇8(2π/·?+^8)+ο〇δ(2^^^^ ,： /〇： = - . ?ρ 相干微系统中所成像振幅归一化仿真图；
[0030] 图12是条纹样品与其在基本共焦显微系统和结构探测共焦显微系统中所成像在X 方向振幅对比归一化仿真图；
[0031 ]图中：1、激光光源，2、准直扩束器，3、分光棱镜，4、收集透镜，5、1/4波片，6、(XD探 测器，7、扫描系统，8、照明物镜，9、工业样品。
【具体实施方式】
[0032]结合【附图说明】本发明的【具体实施方式】，本发明的一种超分辨结构探测共焦相干成 像装置，包括激光光源1，沿激光光源1光线传播方向依次设有准直扩束器2、分光棱镜3、1/4 波片5、扫描系统7、照明物镜8、工业样品9、收集透镜4和(XD探测器6。
[0033 ]所述扫描系统包括扫描振镜，扫描振镜改变光束偏转角在工业样品的物面进行扫 描。
[0034] 基于所述一种超分辨结构探测共焦相干成像装置的成像方法，包括以下步骤：
[0035] 步骤一、所述步骤一具体包括:所述探测面采用非均匀探测方式，使得探测面内探 测灵敏度系数成正弦分布，探测光斑光强在半径为艾里斑半径的圆函数内乘以正弦分布的 探测系数，得到共焦系统的积分光强：
[0036] /(rj = J" J" exp(/A(-2z,))/( (Μ,γ, η )Λ:(A + )/)(/·2 ν/η<"·2( 1 )；
[0037] 由于实际基本共焦相干系统探测光强为探测面振幅对探测面在有限范围内的积 分的平方，所以共焦相干显微系统的横向分辨率的潜力将受到影响，即有限尺寸的探测将 导致系统横向分辨率变差。
[0038] 其中D (r)为探测函数，式中η，rs，r2分别表示物空间坐标;Mi，Μ2分别表示照明系统 和探测系统放大倍率;扫描位置坐标和像空间坐标，hKrhoaWPhdr)分别表示照明系统 点扩散函数，物函数和探测系统点扩散函数。
[0039] 所述探测面采用非均匀探测方式，在探测面区域内进行积分，改变对应探测位置 的光灵敏度系数，进而使探测函数成正弦分布。
[0040] 步骤二、将步骤一所述的积分光强转换成三维卷积形式： .2: