CN101929848B - 具有高空间分辨力的乘积共焦扫描检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于表面微细结构和生物显微成像测量技术领域，涉及一种具有高空间分辨率的乘积共焦扫描检测方法。该方法采用差动共焦双接收光路布置中双偏置探测器的离焦信号相乘形成乘积共焦信号，对被测样品进行测量、成像，通过两个偏置信号的乘积同时提高共焦显微探测方法的纵向和横向分辨力，从而实现乘积共焦方法的高空间分辨力检测。该方法还可以结合光学超分辨共焦检测方法，进一步提高空间分辨力。该方法可以满足高空间分辨力、高精度测量成像要求，特别适用于表面三维微细结构、微台阶、线宽、表面形貌等的测量以及高精度的生物成像检测等。

Description

具有高空间分辨力的乘积共焦扫描检测方法

技术领域

本发明属于显微成像及微观测量技术领域，特别提供一种可用于检测表面三维微细结构、微台阶、集成电路线宽和表面形貌以及生物医学领域高分辨力显微成像的方法。

背景技术

共焦显微技术以其独有的三维层析成像能力在高分辨成像和检测领域得到了广泛的应用，但是由于受衍射效应的原理性限制，制约了其分辨力的进一步提高。为从根本上突破衍射极限，改善共焦显微方法的分辨能力，国内外学者做了许多研究，并已提出众多的非传统共焦显微成像原理和超分辨方法。

为了改善共焦显微技术的轴向分辨力，台湾大学的C-H.Lee等提出了非干涉差分共焦显微技术理论(Optics Common.1997，35：232-237)，其利用响应曲线斜边线性段来实现纳米级检测；哈尔滨工业大学的谭久彬、王富生和赵维谦提出了“差动共焦式纳米级光聚焦探测方法”，其轴向分辨力达到2nm(《第三届海峡两岸及量科技学术研讨会论文集》，兰州，2000：59～63)；中国专利“具有高空间分辨力的差动共焦扫描检测方法”(专利号：ZL 200410006359.6)，利用响应曲线线性区间实现轴向纳米级、横向亚微米级检测；中国专利“共焦显微镜”(申请号：01122439.8，公开号：CN 1395127A)提出将干涉法引入到传统的共焦显微成像技术中、用于改善轴向分辨力的方法；中国专利“双频共焦台阶高度显微测量装置”(申请号：02120884.0，公开号：CN 1384334A)提出了一种双频共焦台阶干涉显微测量方法；中国专利“具有高空间分辨成像能力的共焦干涉显微镜(申请号：200410096338.8，公开号：CN1614457)”等；1998年，美国学者Tasso R.M.Sales等设计了二区纯相位光瞳滤波器来提高光学系统的轴向分辨力(Axial superresolution with phase-only pupil filers.Optics Communications.1998，156：227-230)。

但是，上述成果仅局限在改善与提高共焦显微系统的轴向分辨力，无法提高其横向分辨力，而共焦显微系统横向分辨力的提高正是提高其空间分辨力的关键。

目前，可用于改善共焦显微技术的横向分辨力的方法与技术主要有空间频率限制法、光瞳滤波法和4PI共焦法等。其中，采用三维超分辨光瞳滤波器是提高光学检测方法空间分辨力的主要手段，但其既要兼顾轴向分辨力又要兼顾横向分辨力，三维超分辨效果不显著。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述已有技术的不足，提供一种具有高空间分辨力的光学检测方法，实现对三维微细结构、微台阶、集成电路线宽、物体表面形貌以及生物医学领域的高空间分辨力光学检测及显微成像检测。

本发明采用差动共焦显微术的双接收光路布置和双探测器乘积探测对被测样品进行扫描测量，入射光束经偏振分光镜、1/4波片、测量物镜入射到被测样品上，经被测样品反射后，再次经过测量物镜、1/4波片后入射到偏振分光镜，经偏振分光镜反射的光束被分光镜分为两路，一路被聚光镜聚焦，针孔位于聚光镜焦前距离M处，探测器位于针孔后并测得反应被测样品凸凹变化的强度曲线I₁(v，u，u_M)，另一路被聚光镜聚焦，另一针孔位于另一聚光镜焦后距离M处，另一探测器位于另一针孔后并测得反应被测样品凸凹变化的强度曲线I₂(v，u-u_M)，其中，M对应的归一化轴向距离为u_M，u为轴向归一化光学坐标，v为横向归一化光学坐标，u_M为归一化轴向距离，其特征在于：

(1)将I₁(v，u，u_M)和I₂(v，u，-u_M)相乘并进行归一化处理，得到对应被测样品凸凹变化的强度曲线I_MCM(v，u，u_M)；

(2)依据曲线I_MCM(v，u，u_M)线性区间内的强度大小，或依据曲线I_MCM(v，u，u_M)强度最大值的位置，重构出被测样品的表面形貌和微观尺度。

其中，优化针孔与其相应的聚光镜焦点之间的距离u_M，能够减小乘积共焦响应曲线的半高宽，提高共焦显微技术的空间分辨力，u_M由乘积共焦轴向响应曲线的半高宽和焦点响应强度共同确定。

依据“相关”思想，将探测到的两个轴向偏置信号相乘，可同时提高系统的轴向分辨力和横向分辨力，达到提高空间分辨力的目的。

本发明的另一种检测方法采用差动共焦显微术的双接收光路布置和双探测器乘积探测对被测样品进行扫描测量，入射光束经光学超分辨器件、偏振分光镜、1/4波片、测量物镜入射到被测样品上，经被测样品反射后，再次经过测量物镜、1/4波片后入射到偏振分光镜，经偏振分光镜反射的光束被分光镜分为两路，一路被聚光镜聚焦，针孔位于聚光镜焦前距离M处，探测器位于针孔后并测得反应被测样品凸凹变化的强度曲线I₁(v，u，u_M)，另一路被另一聚光镜聚焦，另一针孔位于另一聚光镜焦后距离M处，另一探测器位于另一针孔后并测得反应被测样品凸凹变化的强度曲线I₂(v，u，-u_M)，其中，M对应的归一化轴向距离为u_M，u为轴向归一化光学坐标，v为横向归一化光学坐标，u_M为归一化轴向距离，其特征在于：

(1)将I₁(v，u，u_M)和I₂(v，u，-u_M)相乘并进行归一化处理，得到对应被测样品凸凹变化的强度曲线I_MCM(v，u，u_M)；

(2)优化光学超分辨器件的参数，满足超分辨参数G_r和S的设计要求，使乘积共焦显微系统的艾里斑主瓣得到锐化，进一步提高乘积共焦显微镜的横向分辨力，其中G_r为有无光学超分辨器件时横向响应曲线半高宽之比，S为有无光学超分辨器件时焦点强度之比；

(3)依据曲线I_MCM(v，u，u_M)在线性区间内的强度大小，或依据曲线I_MCM(v，u，u_M)强度最大值的位置，重构出被测样品的表面形貌和微观尺度。

其中，采用光学超分辨器件进行横向超分辨时，优化针孔与其相应的聚光镜焦点之间的距离u_M，可以减小乘积共焦响应曲线的半高宽，提高共焦显微技术的空间分辨力，u_M由乘积共焦轴向响应曲线的半高宽和焦点响应强度共同确定。

将提高横向分辨力的光学超分辨共焦方法与提高空间分辨力的乘积共焦检测方法相融合，构成光学超分辨乘积共焦检测方法。空间分辨力的提高可通过差动共焦的光路布置及乘积探测来实现；采用特定设计的光学超分辨器件对差动共焦显微系统的掩模进行修正，进而改变波前，锐化艾里斑主瓣，进一步提高乘积共焦显微系统的横向分辨力，最终提高乘积共焦显微系统的空间分辨力。光学超分辨器件可以是包括振幅型滤波器、相位型滤波器和复振幅型滤波器的光瞳滤波器，还可以是产生环形光的整形二元光学器件。

本发明检测技术具有以下特点及良好效果：

1.与现有共焦技术相比，显著改善了共焦显微技术的空间成像检测能力；

2.利用“相关”概念，采用偏置探测信号的乘积处理避免了现有三维超分辨技术无法兼顾轴向和横向分辨力的缺点，可同时显著改善轴向分辨力和横向分辨力；

3.还融合了光学超分辨技术，进一步改善了共焦显微术的横向分辨力，使空间分辨力改善效果更为显著。

附图说明

图1为具有高空间分辨力的乘积共焦扫描检测方法示意图；

图2为归一化响应曲线I_MCM(v，u，u_M)；

图3为具有高空间分辨力的乘积共焦扫描检测方法示意图；

图4为具有高空间分辨力的乘积共焦扫描检测方法传感原理；

图5为探测器偏移量u_M与横向响应信号的关系曲线；

图6为探测器偏移量u_M与轴向响应信号的关系曲线(a)轴向强度归一化曲线(b)轴向强度曲线；

图7为采用整形环形照射式具有高空间分辨力的乘积共焦扫描检测方法示意图；

图8为u_M＝6时ε与横向归一化响应曲线的关系；

图9为u_M＝6时ε与轴向响应曲线的关系(a)轴向强度曲线(b)轴向归一化强度曲线；

图10为ε＝0.50时μ_M与轴向响应曲线的关系(a)轴向强度曲线(b)轴向归一化强度曲线；

图11为偏移量μ_M＝5.21时具有高空间分辨力的乘积共焦扫描检测方法轴向响应曲线；

图12为台阶横向扫描比对图；

其中，1-光学超分辨器件，2-偏振分光镜，3-1/4波片，4-测量物镜，5-被测样品，6-分光镜，7、8-聚光镜，9、10-针孔，11、12-探测器，13-乘积共焦双接收光路，14-光源，15-准直扩束器，16-空间滤波针孔，17-微位移工作台，18-乘法器，19-位移传感器，20-压电陶瓷驱动器，21-驱动电源，22-放大处理电路，23-微型计算机处理系统，24-整形二元光学器件，25-入射光束。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的基本思想是将探测器所测得的强度曲线相乘并归一化处理，可同时提高系统的轴向分辨力和横向分辨力，达到提高空间分辨力的目的。

如图1所示，虚框部分为乘积共焦双接收光路13，入射光束经过偏振分光镜2、1/4波片3透射后，被测量物镜4聚焦在被测样品5表面。经被测样品5表面反射的测量光，再次经过1/4波片3被偏振分光镜2反射后，又被分光镜6分为两束光，并分别被两个相同的聚光镜7和8聚焦。针孔9和探测器11置于聚光镜7焦平面的焦后距离M处，针孔10和探测器12置于聚光镜8焦平面的焦前距离M处，距离M对应的光学归一化位移为u_M。

设轴向归一化光学坐标为u，横向归一化光学坐标为v。当被测样品5进行轴向和横向扫描时，探测器12测得扫描响应曲线I₁(v，u，u_M)，探测器11测得扫描响应曲线I₂(v，u，-u_M)。将响应曲线I₁(v，u，u_M)和I₂(v，u，-u_M)进行乘积并进行归一化处理，得到本测量方法的如图2所示的归一化响应曲线I_MCM(v，u，u_M)，即

$I_{\mathrm{mcm}}(v,u,u_M)=\frac{I_1(v,u,u_M)\×I_2(v,u,-u_M)}{I_1(\mathrm{0,0},u_M)\×I_2(\mathrm{0,0},-u_M)}---\left(1\right)$

考虑轴向分辨特性时，v为常数且设为c，上式可简化为：

$I_{\mathrm{mcm}}(c,u,u_M)=\frac{I_1(c,u,u_M)\×I_2(c,u,-u_M)}{I_1(\mathrm{0,0},u_M)\×I_2(\mathrm{0,0},-u_M)}---\left(2\right)$

如图1所示，当乘积共焦系统工作在离焦区域时，采用斜边线性段对被测样品5进行测量，从图中可以看出，s曲线的斜边灵敏度比共焦特性曲线d的斜边灵敏度高，即轴向分辨力得到提高；当乘积共焦系统工作在焦点时，采用最大值对被测样品5进行测量，从图中可以看出s曲线的半高宽比共焦特性曲线d的半高宽窄，即轴向分辨力得到提高。如图1所示，乘积共焦系统响应曲线I_MCM(v，c，u_M)的半高宽比共焦系统响应曲线I_cm(v，c，0)的半高宽窄，即横向分辨力得到提高。因此，利用乘积共焦系统对样品进行扫描时，响应曲线I_MCM(v，u，u_M)在斜边线性段内的光强大小或其光强最大值位置反映了被测样品5的凹凸变化，利用该值大小就可以重构被测样品5的表面形貌及微观尺度，轴向分辨力和横向分辨力都得到了提高，即空间分辨力得到了提高。

实施例1

下面以乘积共焦显微检测方法提高空间分辨力作为本发明的实施例之一，对本发明具有高空间分辨力的乘积共焦显微检测方法进一步说明如下：

如图4所示，光源14发出波长为λ＝633nm的激光光束，然后经准直扩束器15扩束为φ4mm的高斯光束，通过空间滤波针孔16，使之成为点光源，扩束后的平行光经偏振分光镜2透射和反射，其中经偏振分光镜2透射的p光经过1/4波片3和测量物镜4会聚到被测样品5的表面上，然后经被测样品5反射的光沿原路返回，再次经过1/4波片3后变为s光并被偏振分光镜2反射，此反射光经分光镜6分为两束等强度的反射光束和透射光束，并分别经过聚光镜7和聚光镜8聚焦，针孔9和针孔10分别等距离置于聚光镜7和聚光镜8的焦前和焦后，并分别由探测器11和探测器12接收其光强信号，将探测器11和探测器12探测到的光强信号经乘法器18相乘，再经放大处理电路22放大后便得到共焦传感器在焦点附近的聚焦误差信号，该信号对应被测样品5距离焦点位置大小。为扩展传感器量程范围，将测量物镜4固结在由压电陶瓷驱动器20和位移传感器19构成的物镜Z向跟踪扫描系统上，此物镜Z向跟踪扫描系统的量程范围达350μm，扫描频率150Hz。微型计算机处理系统23根据位移传感器19的反馈信号控制驱动电源21的输出，使压电陶瓷驱动器20作轴向位移，当被测样品5经过测量物镜4焦平面时，检测到的乘积光强信号经过最大值附近，将其作为瞄准触发信号，此时位移传感器19测得的信号与瞄准触发时的最大值附近的信号之和便可反映被测样品5的轴向位置变化。

本实施例高空间分辨力跟踪式共焦传感器测量方法的分辨特性根据以下理论计算得出。

探测器偏置时反射式共焦显微镜的光强响应函数I(v，u，u_M)为：

$I(v,u,u_M)={|{\∫}_0^{1}P\left(\mathrm{\ρ}\right)e^{\frac{\mathrm{iu}{\mathrm{\ρ}}^2}{2}}{J}_0\left(\mathrm{\ρv}\right)\mathrm{\ρd\ρ}\·{\∫}_0^{1}P\left(\mathrm{\ρ}\right)e^{\frac{i(u+u_M){\mathrm{\ρ}}^2}{2}}{J}_0\left(\mathrm{\ρv}\right)\mathrm{\ρd\ρ}|}^2---\left(3\right)$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}v=2\mathrm{kr}\sin \frac{{\mathrm{\α}}_0}{2}\\ u=4\mathrm{kz}{\sin }^2\frac{{\mathrm{\α}}_0}{2}\end{array}\right.---\left(4\right)$

z为轴向移动距离，r为径向坐标，u_M为针孔轴向偏移量，α₀为物镜数值孔径角。

归一化光瞳函数为

本测量方法的横向分辨特性为：

当被测物处于离焦状态，两点探测器在轴向分别偏移+u_M和-u_M时，由式(3)可得，横向强度分布特性为：

$I_{\mathrm{mcm}}(v,u,u_M){|}_{u=C}=I(v,u,u_M)\·I(v,u,-u_M)$

${=|{\∫}_0^{1}P\left(\mathrm{\ρ}\right)e^{\frac{\mathrm{iu}{\mathrm{\ρ}}^2}{2}}{J}_0\left(\mathrm{\ρv}\right)\mathrm{\ρd\ρ}\·{\∫}_0^{1}P\left(\mathrm{\ρ}\right)e^{\frac{i(u+u_M){\mathrm{\ρ}}^2}{2}}{J}_0\left(\mathrm{\ρv}\right)\mathrm{\ρd\ρ}|}^2---\left(6\right)$

$\×{|{\∫}_0^{1}P\left(\mathrm{\ρ}\right)e^{\frac{\mathrm{iu}{\mathrm{\ρ}}^2}{2}}{J}_0\left(\mathrm{\ρv}\right)\mathrm{\ρd\ρ}\·{\∫}_0^{1}P\left(\mathrm{\ρ}\right)e^{\frac{i(u-u_M){\mathrm{\ρ}}^2}{2}}{J}_0\left(\mathrm{\ρv}\right)\mathrm{\ρd\ρ}|}^2$

被测样品5处于焦平面即u＝0时，横向分辨特性随针孔轴向偏移量u_M的变化规律如图5所示。从图5中可以看出，u_M＜10时，光强的半高宽几乎不随u_M变化，即横向分辨力与针孔轴向偏移量u_M无关。

本测量方法的轴向分辨特性：

由式(3)得聚焦误差信号：

$I_{\mathrm{mcm}}(v,u,u_M){|}_{u=C}=I(v,u,u_M)\·I(v,u,-u_M)$

$={\sin c}^2\left(\frac{2u+u_M}{4\mathrm{\π}}\right)\×{\sin c}^2\left(\frac{2u-u_M}{4\mathrm{\π}}\right)---\left(7\right)$

聚焦误差信号与探测距离u之间的对应关系如式(7)所示，又由式(4)得聚焦误差信号与探测距离z之间的关系曲线s。

乘积共焦传感技术中，探测器轴向偏移量u_M将直接影响传感器轴向分辨特性，图6给出了轴向分辨特性与偏移量u_M的关系曲线。从图6中可以看出，u_M增大，轴向半高宽减小即轴向分辨力提高，但响应强度降低，且旁瓣增大，对成像检测不利，但是共焦方法的针孔可以抑制其影响。

采用此方法探测器，应综合考虑轴向分辨力和能量损失，使其性能较佳。

实施例2

下面以整形环形光式乘积共焦显微检测方法提高空间分辨力作为本发明的实施例之二，对本发明具有高空间分辨力的乘积共焦显微检测方法进一步说明如下：

如图7所示，虚框部分为乘积共焦显微双接收光路布置13，光学超分辨器件为整形二元光学器件24。在单色光照明条件下，具有光瞳函数P(ρ)的反射式共焦显微镜的光强响应函数I(v，u，u_M)为：

$I(v,u,u_M)={|{\∫}_{\mathrm{\ϵ}}^{1}P\left(\mathrm{\ρ}\right)e^{\frac{\mathrm{iu}{\mathrm{\ρ}}^2}{2}}{J}_0\left(\mathrm{\ρv}\right)\mathrm{\ρd\ρ}\·{\∫}_{\mathrm{\ϵ}}^{1}P\left(\mathrm{\ρ}\right)e^{\frac{i(u+u_M){\mathrm{\ρ}}^2}{2}}{J}_0\left(\mathrm{\ρv}\right)\mathrm{\ρd\ρ}|}^2---\left(\text{8}\right)$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}v=2\mathrm{kr}\sin \frac{{\mathrm{\α}}_0}{2}\\ u=4\mathrm{kz}{\sin }^2\frac{{\mathrm{\α}}_0}{2}\end{array}\right.---\left(9\right)$

z为轴向移动距离，r为径向坐标，ε为激光光束归一化半径，u_M为针孔轴向偏移量，α₀为物镜数值孔径角。

归一化光瞳函数为

利用二元光学器件整形环形光时，中心部分的光被转移到外环上，系统在能量传递过程中无能量损失，假定环上的振幅为A，则整形后光束强度分布可表示为：

$I\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& 0<r\&le;\mathrm{\&epsiv;}\\ A^2& \mathrm{\&epsiv;}<r<1\end{array}\right.---\left(11\right)$

依据能量守恒定律，得

$A=\frac{1}{\sqrt{1-{\mathrm{\&epsiv;}}^2}}---\left(12\right)$

本测量方法的横向分辨特性为：

当被测样品5处于离焦状态，两点探测器在轴向分别偏移+u_M和-u_M时，由式(8)可得，横向强度分布特性为：

$I_{\mathrm{mcm}}(v,u,u_M){|}_{u=C}=I(v,u,u_M)\&CenterDot;I(v,u,-u_M)$

$={|{\&Integral;}_{\mathrm{\&epsiv;}}^1{P}_1\left(\mathrm{\&rho;}\right)e^{\frac{\mathrm{iu}{\mathrm{\&rho;}}^2}{2}}{J}_0\left(\mathrm{\&rho;v}\right)\mathrm{\&rho;d\&rho;}\&CenterDot;{\&Integral;}_{\mathrm{\&epsiv;}}^1{P}_1\left(\mathrm{\&rho;}\right)e^{\frac{i(u+u_M){\mathrm{\&rho;}}^2}{2}}{J}_0\left(\mathrm{\&rho;v}\right)\mathrm{\&rho;d\&rho;}|}^2---\left(\text{13}\right)$

${\&times;|{\&Integral;}_{\mathrm{\&epsiv;}}^1{P}_1\left(\mathrm{\&rho;}\right)e^{\frac{\mathrm{iu}{\mathrm{\&rho;}}^2}{2}}{J}_0\left(\mathrm{\&rho;v}\right)\mathrm{\&rho;d\&rho;}\&CenterDot;{\&Integral;}_{\mathrm{\&epsiv;}}^1{P}_1\left(\mathrm{\&rho;}\right)e^{\frac{i(u-u_M){\mathrm{\&rho;}}^2}{2}}{J}_0\left(\mathrm{\&rho;v}\right)\mathrm{\&rho;d\&rho;}|}^2$

被测样品5处于焦平面即u＝0时，横向分辨特性随ε的变化规律如图8所示。从图8中可以看出，ε增大，光强的半高宽越小即横向分辨力越高。

本测量方法的轴向分辨特性：

由式(8)得聚焦误差信号：

$I_{\mathrm{mcm}}(v,u,u_M){|}_{u=C}=I(v,u,u_M)\&CenterDot;I(v,u,-u_M)$

${=\sin c}^2\left[\frac{2u+u_M}{4\mathrm{\&pi;}}\left({1-\mathrm{\&epsiv;}}^2\right)\right]\&times;{\sin c}^2\left[\frac{2u-u_M}{4\mathrm{\&pi;}}\left({1-\mathrm{\&epsiv;}}^2\right)\right]---\left(14\right)$

聚焦误差信号与探测距离u之间的对应关系如式(14)所示，又由式(9)得聚焦误差信号与探测距离z之间的关系曲线s。

环形光乘积共焦传感技术中，探测器轴向偏移量u_M将直接影响传感器轴向分辨特性，且由式(14)和式(9)得，环形光乘积共焦检测法响应曲线的分辨力由两针孔偏移量u_M、环形光归一化半径ε和物镜数值孔径决定。

图9给出了u_M＝6，ε＝0.25、0.50和0.75时的轴向分辨特性曲线，图10给出了ε＝0.5，u_M与轴向分辨特性的关系曲线。从图9和10中可以看出，ε增大，轴向半高宽增大即轴向分辨力下降，但响应强度增大；u_M增大，轴向半高宽减小即轴向分辨力提高，但响应强度降低，且因离焦引起的旁瓣抑制得越明显。

采用此方法探测器，应综合考虑轴向分辨力、横向分辨力和能量损失，使其性能最佳。

本发明具有高空间分辨力的乘积共焦扫描检测方法的实验验证系统的主要器件型号及参数如下：

如图4所示，实验中的测量物镜4分别优先选用10×0.25、40×0.65和60×0.85的平场消色差显微物镜；光电探测器11和12优先采用美国NEWFOCUS公司生产的2001型光电接收器，饱和功率为10mW，最大可调增益为10⁴，最小噪声等效功率为

在波长632.8nm处的响应为0.42A/W；针孔9和10优先选用美国NEWPORT公司的PH-10型针孔，它由超薄钼材料构成，孔径尺寸为10μm，厚度为15.24μm；微位移工作台17的驱动器优先选用美国NEWFOCUS公司生产的大范围、高稳定性Picomotor微位移驱动器，配以缩小比例为5∶1的柔性铰链工作台组成纳米级的微动标定系统，Picomotor微位移驱动器每个驱动脉冲可使微位移工作台17获得2nm的进给；测量物镜4的轴向跟踪定位优先采用德国PI公司生产的纤维物镜微定位装置，它由压电陶瓷驱动器20、位移传感器19和轴向驱动机构等构成，驱动分辨力为10nm，量程300μm，加载频响为100Hz。

基于本发明方法的高空间分辨力乘积共焦传感器测量装置的超分辨性能初步测试结果为：

系统的分辨特性可以通过美国DI公司的Dimension3100型原子力显微镜配带的标准台阶来考核。被测样品5选用100nm高度的标准台阶，测量物镜4选用60×0.85的物镜，将台阶置于载物台上，通过微调机构沿轴向调整台阶，使光针聚焦在台阶表面上，沿与光针垂直的横向方向移动台阶，微位移工作台17分辨力为2nm，移动范围12μm，用HP5528A双频激光干涉仪检测台阶的移动量，其分辨力为0.01μm，驱动系统以分辨力为0.01μm的进给量微动台阶。

图11给出了偏移量u_M＝5.21乘积共焦轴向响应曲线。

图12给出了共焦台阶扫描曲线和乘积共焦台阶扫描曲线，乘积共焦台阶扫描曲线跳跃区斜率变化比较大。

以上结合附图对本发明的具体实施方式和仿真效果作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.具有高空间分辨力的乘积共焦扫描检测方法，采用差动共焦显微术的双接收光路布置和双探测器乘积探测对被测样品进行扫描测量，入射光束经偏振分光镜、1/4波片、测量物镜入射到被测样品上，经被测样品反射后，再次经过测量物镜、1/4波片后入射到偏振分光镜，经偏振分光镜反射的光束被分光镜分为两路，一路被聚光镜聚焦，针孔位于聚光镜焦前距离M处，探测器位于针孔后并测得反应被测样品凸凹变化的强度曲线I₁(v，u，u_M)，另一路被另一聚光镜聚焦，另一针孔位于所述另一聚光镜焦后距离M处，另一探测器位于所述另一针孔后并测得反应被测样品凸凹变化的强度曲线I₂(v，u，-u_M)，其中，M对应的归一化轴向距离为u_M，u为轴向归一化光学坐标，v为横向归一化光学坐标，u_M为归一化轴向距离，其特征在于：

(1)将I₁(v，u，u_M)和I₂(v，u，-u_M)相乘并进行归一化处理，得到对应被测样品凸凹变化的强度曲线I_MCM(v，u，u_M)；

(2)依据曲线I_MCM(v，u，u_M)在线性区间内的强度大小，或依据曲线I_MCM(v，u，u_M)强度最大值的位置，重构出被测样品的表面形貌和微观尺度。

2.根据权利要求1所述的具有高空间分辨力的乘积共焦扫描检测方法，其特征在于：优化针孔与其相应的聚光镜焦点之间的距离u_M，可以减小乘积共焦轴向响应曲线的半高宽，提高共焦显微技术的空间分辨力，u_M由乘积共焦轴向响应曲线的半高宽和焦点响应强度共同确定；

3.具有高空间分辨力的乘积共焦扫描检测方法，采用差动共焦显微术的双接收光路布置和双探测器乘积探测对被测样品进行扫描测量，入射光束经光学超分辨器件、偏振分光镜、1/4波片、测量物镜入射到被测样品上，经被测样品反射后，再次经过测量物镜、1/4波片后入射到偏振分光镜，经偏振分光镜反射的光束被分光镜分为两路，一路被聚光镜聚焦，针孔位于聚光镜焦前距离M处，探测器位于针孔后并测得反应被测样品凸凹变化的强度曲线I₁(v，u，u_M)，另一路被另一聚光镜聚焦，另一针孔位于所述另一聚光镜焦后距离M处，另一探测器位于所述另一针孔后并测得反应被测样品凸凹变化的强度曲线I₂(v，u，-u_M)，其中，u为轴向归一化光学坐标，v为横向归一化光学坐标，u_M为归一化轴向距离，M对应的归一化轴向距离为u_M，其特征在于：

(1)将I₁(v，u，u_M)和I₂(v，u，-u_M)相乘并进行归一化处理，得到对应被测样品凸凹变化的强度曲线I_MCM(v，u，u_M)；

(2)优化光学超分辨器件的参数，满足超分辨参数G_r和S的设计要求，使乘积共焦显微系统的艾里斑主瓣得到锐化，进一步提高乘积共焦显微镜的横向分辨力，其中G_r为有无光学超分辨器件时横向响应曲线半高宽之比，S为有无光学超分辨器件时焦点强度之比；

(3)依据曲线I_MCM(v，u，u_M)线性区间内的强度大小，或依据曲线I_MCM(v，u，u_M)强度最大值的位置，重构出被测样品的表面形貌和微观尺度。

4.根据权利要求3所述的具有高空间分辨力的乘积共焦扫描检测方法，其特征在于：采用光学超分辨器件进行横向超分辨时，优化针孔与其相应的聚光镜焦点之间的距离u_M，可以减小乘积共焦轴向响应曲线的半高宽，提高共焦显微技术的空间分辨力，u_M由乘积共焦轴向响应曲线的半高宽和焦点响应强度共同确定；

5.根据权利要求3所述的具有高空间分辨力的乘积共焦扫描检测方法，其特征在于：光学超分辨器件可以是位相型滤波器、振幅型滤波器、振幅位相混合型滤波器或环形光整形光学器件。

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