三差动共焦显微成像方法与装置.pdf

本发明属于显微成像及微观测量技术领域，涉及一种轴向超分辨成像的三差动共焦显微成像方法与装置，该装置包括光源(1)，依次放在光源(1)发射端的空间滤波针孔(26)、测量显微物镜(5)，其特征在于还包括放置在光源(1)发射端的扩束器(2)、偏振分光镜(3)、放置在偏振分光镜(3)透射光路上的四分之一波片(4)、以及将偏振分光镜(3)反射后的测量光束第一次分为两束测量光的分光镜(10)、将分光镜(10)透射的光束再次分为两束测量光束的分光镜(12)，分别汇聚三束测量光的三个聚光镜(17)、(6)和(13)，依次位于三个聚光镜焦前位置、焦面位置和焦后位置的三个针孔(18)、(7)和(14)，以及分别贴近三个针孔后面的三个光电探测器(19)、(8)和(15)。

1.  一种三差动共焦显微镜成像方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)将共焦显微镜的测量接收光路分为三路共焦接收光路；
(2)三路共焦接收光路测得具有不同位相的轴向响应信号的强度I₂(v，u，-u_M)、I₁(v，u，+u_M)和I₃(v，u，0)以及具有不同位相的强度曲线(34)、(33)和(35)；
(3)将I₃(v，u，0)和I₂(v，u，-u_M)差动相减得I_A(v，u)，I₃(v，u，0)和I₁(v，u，+u_M)差动相减得I_B(v，u)，I₂(v，u，-u_M)和I₁(v，u，+u_M)差动相减得I_C(v，u)，则得到对应被测样品凸凹变化的强度I(v，u)为：

及强度曲面(31)；
(4)优选针孔(18)和针孔(14)距其相应聚光镜焦点位置的光学归一化坐标u_M，改善共焦显微镜的轴向分辨力；
(5)依据I(v，u)强度曲面(31)在测量范围内的光强大小，重构出被测样品的三维表面形貌和微观尺度。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于所说的步骤(1)为先将测量光束分为两束测量光束，再将两束测量光束中的一束分为两束测量光束。

3.  根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于还包括利用I_C(v，u)进行三维微细结构及表面轮廓的双极性绝对测量。

4.  根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于对应I(0，u)和I_C(0，u)轴向分辨力最大值时的u_M由下式最优确定：
k ( 0,0 , u M ) = - 2 · sin c ( u M / 4 π ) · [ ( u M / 4 ) · cos ( u M / 4 ) - sin ( u M / 4 ) ( u M / 4 ) 2 ] ]]>
当u_M＝±5.21时，I(0，u)和I_C(0，u)斜边段灵敏度值最大。

5.  一种三差动共焦显微镜成像装置，包括光源(1)，依次放在光源(1)发射端的空间滤波针孔(26)、测量显微物镜(5)，其特征在于还包括放置在光源(1)发射端的扩束器(2)、偏振分光镜(3)、放置在偏振分光镜(3)透射光路上的四分之一波片(4)、以及将偏振分光镜(3)反射后的测量光束第一次分为两束测量光的分光镜(10)、将分光镜(10)透射的光束再次分为两束测量光束的分光镜(12)，分别汇聚三束测量光的三个聚光镜(17)、(6)和(13)，依次位于三个聚光镜焦前位置、焦面位置和焦后位置的三个针孔(18)、(7)和(14)，以及分别贴近三个针孔后面的三个光电探测器(19)、(8)和(15)。

6.  根据权利要求5所述的装置，其特征在于还包括依次相连的三个聚焦信号差动处理系统(20)、(21)和(22)，一个计算机放大处理系统(23)，其中聚焦信号差动处理系统(22)与光电探测器(8)相连，将接收的传感信号放大后，由计算机再进行数据处理。

7.  根据权利要求5所述的装置，其特征在于该共焦显微镜装置还包括光强调节器(9)、(11)和(16)，分别用于调节三束测量光束，使它们的光强相等。

8.  根据权利要求5或6或7所述的装置，其特征在于分光镜(10)的透反比为2∶1。

9.  根据权利要求5或6或7所述的装置，其特征在于分光镜(12)的透反比为1∶1。

三差动共焦显微成像方法与装置
技术领域：
本发明属于显微成像及微观测量技术领域，涉及一种轴向超分辨成像的三差动共焦显微成像方法与装置，其可用于测量样品的三维表面形貌、三维微细结构、微台阶、微沟槽、集成电路线宽等。
背景技术：
共焦显微镜的思想最早由美国学者M.Minsky于1957年首次提出，并于1961年获得美国专利，专利号为US3013467。共焦显微镜将点光源、点物和点探测器三者置于彼此对应的共轭位置，构成光学显微成像中独具层析能力的点照明和点探测显微成像系统。一般共焦显微镜的基本原理如图1所示，光源1发出的光经针孔26、物镜5在被测物体表面聚焦成光斑后被被测物体反射，反射光沿原路返回，再通过分光镜10将来自物体的信号光导入放置于光电探测器8前面的针孔7内，在光电探测器8处形成点检测，光电探测器8主要接收来自物镜焦点处的信号光，焦点以外的返回光被针孔7遮挡。当物体位于焦平面A时，光电探测器8接收到的光能最大，当物体偏离焦平面A时，反射光被聚焦于针孔前或后的某一位置，此时光电探测器8仅接收一小部分光能量，也就是说物体在离焦时探测到的信号要比在焦平面时弱，这样就可以通过光电探测器检测光强信号的强弱变化来反映物体相对于焦平面的位置。当物体沿垂直于光轴方向的X-Y平面内作扫描运动时，共焦显微镜依据光轴Z向离焦信号、X向和Y向的位移大小，即可构建出被测物体的三维轮廓。在光学显微镜成像中共焦显微镜因其具有独特的层析成像能力，这就使其广泛应用于生物工程、医学检测、信息存储、微电子、半导体材料及表面轮廓测量等领域。
共焦显微镜层析成像能力由图2所示的轴向响应曲线27的半高宽FWHM决定，FWHM越大，层析成像能力越强。但由于受衍射现象的限制，用传统的通过增大物镜5数值孔径值NA和减小光波波长λ等方法改善共焦显微镜层析成像能力极其有限。为改善共焦显微镜的层析成像能力，近来已有众多非传统的共焦成像原理和超分辨方法被提出。在共焦显微镜的研究方面，出现了4PI共焦显微镜、θ共焦显微镜和基于光学非线性行为的双光子和多光子共焦显微镜等；在改善共焦显微镜超分辨成像技术方面已研究出以下几类方法，一类是减小由瑞利判据决定的爱里斑，但不增大光学系统的空间截止频率，常用的技术包括：光瞳滤波技术、移相掩模技术、基于光学性质非线性变化的超分辨技术等；第二类是通过增大光学系统空间截止频率，增加高频光线所占的比例，来减小光学系统的爱里斑主瓣；第三类是通过改变光学系统入射光束空间频率的分布，来减小光学系统爱里斑的主瓣，一般可通过离轴照明技术、变形照明技术、正交偏振光照明技术、环形光照明技术和干涉光束空间频移法等光源照明技术来实现。
总体上看，上述新型共焦显微镜和超分辨方法改善了共焦显微镜的轴向分辨特性，在一定程度上满足了共焦显微镜不同超分辨场合的应用需求，但它们对共焦显微镜的抗干扰能力并没有明显的改善，甚至有些方法，如光瞳滤波器超分辨法，还会由于进行超分辨而引起共焦显微镜强度响应特性旁瓣的增加，反而减弱了共焦显微镜的抗干扰能力，影响共焦显微镜的成像性能。
发明内容：
为克服上述已有共焦显微镜及轴向超分辨技术存在的不足，本发明提供一种完全不同于上述超分辨技术的三差动共焦显微成像方法与装置，使共焦显微镜在改善其层析成像能力的同时，还能显著增强共焦显微镜的抗干扰能力和改善线性范围，具有轴向超分辨能力。
本发明的技术解决方案是：一种三差动共焦显微成像方法，包括下列步骤：
(1)将共焦显微镜的测量接收光路分为三路共焦接收光路；
(2)三路共焦接收光路测得具有不同位相差的轴向响应信号的强度I₂(v，u，-u_M)、I₁(v，u，+u_M)和I₃(v，u，0)以及具有不同位相的曲线34、33和35；
(3)将I₃(v，u，0)和I₂(v，u，-u_M)差动相减得I_A(v，u)，I₃(v，u，0)和I₁(v，u，+u_M)差动相减得I_B(v，u)，I₂(v，u，-u_M)和I₁(v，u，+u_M)差动相减得I_C(v，u)，则得到对应被测样品凸凹变化的强度I(v，u)为：

及强度曲面31；
(4)优化针孔18和针孔14距其相应聚光镜焦点位置的光学归一化坐标u_M，改善共焦显微镜的轴向分辨力；
(5)依据I(v，u)强度曲面31在测量范围内的光强大小，重构出被测样品的三维表面形貌和微观尺度。
本发明还提供了一种具有轴向超分辨的共焦显微镜装置，包括光源1，依次放在光源1发射端的空间滤波针孔26、测量显微物镜5，还包括放置在光源1发射端的扩束器2、偏振分光镜3、放置在偏振分光镜3透射光路上的四分之一波片4、以及将偏振分光镜3反射后的测量光束第一次分为两束测量光的分光镜10、将分光镜10透射的光束再次分为两束测量光束的分光镜12，分别汇聚三束测量光的三个聚光镜17、6和13，依次位于三个聚光镜焦前位置、焦面位置和焦后位置的三个针孔18、7和19，以及分别贴近三个针孔后面的三个光电探测器19、8和15。
本发明成像方法及装置具有以下特点及良好效果：
利用针孔轴向偏移改变共焦显微镜轴向强度响应曲线相位这一性质，通过对三束聚焦测量光束依次进行远焦、焦面和近焦探测，获得具有不同位相的三个测量信号，再进行相应的差动相减处理等，达到既改善共焦显微系统轴向分辨力又显著增强环境抗干扰能力、线性和离焦特性等，这是区别于现有技术的创新点之一。
利用三探测信号进行数据处理和融合，使共焦显微镜具有轴向超分辨显微成像功能的同时，还具有差动共焦测量系统地功能，与普通的共焦显微镜相比，三差动共焦显微镜更便于三维表面轮廓和微细结构的高精度测量，其将显微成像测量和表面微观轮廓及尺寸测量相融合，这是区别于现有技术的创新点之二。
本发明三差动共焦显微轴向超分辨方法与上述共焦显微镜轴向超分辨方法可有机结合，可在上述超分辨技术的基础上，进一步应用本三差动共焦显微超分辨方法进行超分辨成像，这是区别于现有超分辨技术的创新点之三。
采用上述技术后，测量装置具有如下特点：
1)提高共焦显微系统轴向分辨力的同时，可改善共焦显微系统的横向离焦特性；
2)双探测器差动相减探测法可抑制环境状态差异、光源光强波动、探测器电气漂移等引起的共模噪声，显著提高测量系统的信噪比、灵敏度以及线性等；
3)使共焦显微镜还具有差动共焦测量系统的双极性测量辅助功能，便于对三维微细结构和表面轮廓进行双极性绝对跟踪测量。
附图说明：
图1共焦显微镜原理图。
图2共焦显微镜轴向响应仿真曲线。
图3为本发明方法与装置构成图。
图4为差动信号灵敏度仿真曲线。
图5为本发明当u_M＝5.21时共焦显微镜三维强度响应仿真曲面。
图6为本发明当u_M＝5.21时共焦显微镜三维强度响应归一化仿真曲面。
图7为典型共焦显微镜三维强度响应归一化仿真曲面。
图8为本发明当u_M＝5.21时共焦显微镜轴向强度响应仿真曲线。
图9为本发明当u_M＝5.21时共焦显微镜轴向强度响应归一化仿真曲线。
图10为本发明当u_M＝8.0时共焦显微镜轴向强度响应仿真曲线。
图11为本发明当u_M＝8.0时共焦显微镜轴向强度响应归一化仿真曲线。
图12为轴向强度响应I₃(v，u，0)、I₂(v，u，-u_M)和I₁(v，u，+u_M)的实测曲线，以及差动相减曲线Ic(0，u)和I(0，u)。
图13为轴向强度响应I₃(v，u，0)和差动相减强度I(0，u)的归一化曲线。
其中，1光源，2扩束器，3偏振分光镜(PBS)，4四分之一波片，5物镜，6、13、17聚光镜，7、14、18、26针孔，8、15、19光电探测器，9、11、16光强调节器，10、12分光镜，20、21、22聚焦信号差动相减归一化处理单元，23计算机处理系统，24被测物体，25工作台，27共焦显微镜轴向响应曲线，28灵敏度k_A(0，0，u_M)的仿真曲线，29灵敏度k_B(0，0，u_M)的仿真曲线，30灵敏度k_C(0，0，u_M)的仿真曲线，31三维强度响应I(v，u)仿真曲面，32共焦显微镜三维强度响应I₃(v，u，0)的仿真曲面，33轴向强度响应I₁(0，u，+u_M)曲线，34轴向强度响应I₂(0，u，-u_M)曲线，35轴向强度响应I₃(0，u，0)曲线，36轴向强度响应I_C(0，u)曲线，37轴向强度响应I(0，u)曲线。
具体实施方式：
下面详细介绍本发明所述的方法：
将共焦显微镜接收测量光束分为三路，并分别将三个聚光镜聚焦，在三个聚光镜焦面附近各布置一套光电接收系统，使三套针孔及探测器依次位于三聚光镜的远焦、焦面和近焦位置，构成共焦显微镜远焦、焦面和近焦三个共焦光电接受系统，再将接受的三路具有一定相移的探测信号两两差动相减和处理，继而达到改善共焦显微镜轴向分辨力和环境抗干扰能力的目的。其具体技术方案如图3所示：激光器1发出的光经扩束器扩束2，透过偏振分光镜3后变为偏振方向平行于纸面的p光，该p光透过四分之一波片4后被物镜5聚焦在被测物体24表面后，被被测物体24返回再次透过四分之一波片4变为偏振方向垂直于纸面的s光，偏振分光镜3反射s光到分光镜10。分光镜10首先将测量光束分为两束，经分光镜10反射的测量光束被聚光镜6聚焦，进入位于聚光镜6焦点位置的针孔7，被探测器8接收；经分光镜10透射的光再次被分光镜12分为两束，经分光镜12反射的测量光束被聚光镜13聚焦，进入距聚光镜13焦点后距离为M位置的针孔14，后被探测器15接收；经分光镜12透射的测量光束被聚光镜17聚焦，进入距聚光镜17焦点前距焦点距离为M的针孔18，被针孔18后的探测器19接收；差动相减处理系统20、21和22将探测到的三个具有一定相位大小的信号I₁(0，u，+u_M)、I₂(0，u，-u_M)和I₃(0，u，0)两两差动相减得I_A(v，u)、I_B(v，u)和I_C(v，u)，并进入计算机处理系统23后可得：

强度I(v，u)对应被测样品凸凹变化，依据I(v，u)强度曲线31在测量范围内的光强大小，重构出被测样品的三维表面形貌和微观尺度，即可实现轴向超分辨共焦显微成像探测。
由于多路信号的冗余，使共焦显微镜除了能进行超分辨轴向层析成像外，利用I_c(v，u)使三差动共焦显微镜还具有差动共焦测量系统的双极性测量功能，便于对三维微细结构和表面轮廓进行双极性绝对跟踪测量。
本轴向超分辨三差动共焦显微镜中，分光镜10的透反比为2∶1，分光镜12的透反比为1∶1，光强调节器9、11和16分别用于调节三束测量光束，使通过它们的光强强度相等。
上述三差动共焦显微法进行轴向超分辨测量时，对应I(0，u)轴向分辨力最大值时的u_M可由下式最优确定：
k ( 0,0 , u M ) = - sin c ( u M / 4 π ) · [ ( u M / 4 ) · cos ( u M / 4 ) - sin ( u M / 4 ) ( u M / 4 ) 2 ] ]]>
如图4所示，当u_M＝±5.21时，灵敏度k(0，0，u_M)对应的绝对值最大，且为0.54。
本发明的原理如图3所示：
光源1、扩束器2、偏振分光镜3、四分之一波片4、物镜5、聚光镜6、针孔7和光电探测器8构成共焦显微镜，其强度响应I₃(v，u，0)为：
I 3 ( v , u , 0 ) = | [ 2 ∫ 0 1 P ( ρ ) · e ( ju ρ 2 ) / 2 J 0 ( ρv ) ρdρ ] | 2 × | [ 2 ∫ 0 1 P ( ρ ) · e ( ju ρ 2 ) / 2 J 0 ( ρv ) ρdρ ] | 2 - - - ( 1 ) ]]>
其中J₀为一阶贝赛尔函数，ρ为归一化后的径向半径，轴向归一化坐标u和横向归一化坐标v为：

其中，z为物体轴向移动距离，r为透镜的径向坐标，a₀为物镜数值孔径角。
光源1、扩束器2、偏振分光镜3、四分之一波片4、物镜5、聚光镜13、针孔14和光电探测器15构成探测器远焦探测的“准共焦显微镜”，其强度响应I₂(v，u，-u_M)为：
I 2 ( v , u , - u M ) = | [ 2 ∫ 0 1 P ( ρ ) · e ( ju ρ 2 ) / 2 J 0 ( ρv ) ρdρ ] | 2 × | [ 2 ∫ 0 1 P ( ρ ) · e j ρ 2 ( u - u M ) / 2 J 0 ( ρv ) ρdρ ] | 2 - - - ( 3 ) ]]>
其中，u_M为对应探测器轴向偏移聚光镜焦点距离M的光学归一化坐标。
光源1、扩束器2、偏振分光镜3、四分之一波片4、物镜5、聚光镜17、针孔18和光电探测器19构成探测器近焦探测的“准共焦显微镜”，其强度响应I₁(v，u，+u_M)为：
I 1 ( v , u , + u M ) = | [ 2 ∫ 0 1 P ( ρ ) · e ( ju ρ 2 ) / 2 J 0 ( ρv ) ρdρ ] | 2 × | [ 2 ∫ 0 1 P ( ρ ) · e j ρ 2 ( u + u M ) / 2 J 0 ( ρv ) ρdρ ] | 2 - - - ( 4 ) ]]>
当样品24随工作台25进行轴向或横向扫描时，光电探测器8、15和19分别探测到信号I₃(v，u，0)、I₂(v，u，-u_M)和I₁(v，u，+u_M)，两两进行差动相减后得：
      I_A(v，u)＝I₃(v，u，0)-I₂(v，u，-u_M)                    (5)
      I_B(v，u)＝I₃(v，u，0)-I₁(v，u，+u_M)                      (6)
      I_C(v，u)＝I₂(v，u，-u_M)-I₁(v，u，+u_M)                   (7)
计算机处理系统23依据测得I_A(v，u)、I_B(v，u)和Ic(v，u)进行测量和判断，得三差动共焦显微镜的强度响应曲线为：

在测量段内I(v，u)强度响应大小，对应被测样品25的凸凹变化，利用该值大小即可重构出被测样品的表面形貌及微观尺度。
当三差动共焦显微镜测量物镜数值孔径值、针孔大小和探测器灵敏度等系统参数一旦确定后，强度响应曲线I_A(0，u)、I_B(0，u)和Ic(0，u)斜边线性段的灵敏度主要取决于u_M，存在一个u_M值使三差动共焦显微镜的轴向分辨力最佳。
对差动信号I_A(0，u)对u求导得灵敏度k_A(0，u，u_M)：
k A ( 0 , u , u M ) = sin c [ ( u / 2 π ) ] · { ( u / 2 ) · cos ( u / 2 ) - sin ( u / 2 ) ( u / 2 ) 2 } - sin c [ ( 2 u - u M ) / 4 π ] · { { ( 2 u - u M ) / 4 } · cos { ( 2 u - u M ) / 4 } - sin { ( 2 u - u M ) / 4 } { ( 2 u - u M ) / 4 } 2 } - - - ( 9 ) ]]>
在线性段内的斜率值k_A(0，u，u_M)和k_A(0，0，u_M)相等，因此有：
k A ( 0,0 , u M ) = sin c [ ( u M ) / 4 π ] · { { ( u M ) / 4 } · cos { ( u M ) / 4 } - sin { ( u M ) / 4 } { ( u M ) / 4 } 2 } - - - ( 10 ) ]]>
对差动信号I_B(0，u)对u求导得灵敏度k_B(0，u，u_M)：
k B ( 0 , u , u M ) = sin c ( u / 2 π ) · { ( u / 2 ) · cos ( u / 2 ) - sin ( u / 2 ) ( u / 2 ) 2 } - sin c [ ( 2 u + u M ) / 4 π ] · { { ( 2 u + u M ) / 4 } · cos { ( 2 u + u M ) / 4 } - sin { ( 2 u + u M ) / 4 } { ( 2 u + u M ) / 4 } 2 } - - - ( 11 ) ]]>
在线性段内的斜率值k_B(0，u，u_M)和k_B(0，0，u_M)相等，因此有：
k B ( 0,0 , u M ) = - sin c [ ( u M ) / 4 π ] · { { ( u M ) / 4 } · cos { ( u M ) / 4 } - sin { ( u M ) / 4 } { ( u M ) / 4 } 2 } - - - ( 12 ) ]]>
对差动信号I_C(0，u)对u求导得灵敏度k_C(0，u，u_M)：
k C ( 0 , u , u M ) = sin c [ ( 2 u - u M ) / 4 π ] · { { ( 2 u - u M ) / 4 } · cos { ( 2 u - u M ) / 4 } - sin { ( 2 u - u M ) / 4 } { ( 2 u - u M ) / 4 } 2 } - sin c [ ( 2 u + u M ) / 4 π ] · { { ( 2 u + u M ) / 4 } · cos { ( 2 u + u M ) / 4 } - sin { ( 2 u + u M ) / 4 } { ( 2 u + u M ) / 4 } 2 } - - - ( 13 ) ]]>
在线性段内的斜率值k_C(0，u，u_M)和k_C(0，0，u_M)相等，因此有：
k C ( 0 , u , u M ) = - 2 sin c [ ( u M ) / 4 π ] · { { ( u M ) / 4 } · cos { u M ) / 4 } - sin { ( u M ) / 4 } { ( u M ) / 4 } 2 } - - - ( 14 ) ]]>
依据公式(10)、(12)和(14)分别将强度曲线I_A(0，u)、I_B(0，u)和I_C(0，u)线性段的灵敏度曲线28、29和30绘于图4中，从中可以看出当u_M＝±5.21时，灵敏度曲线k_A(0，0，u_M)、k_B(0，0，u_M)和k_C(0，0，u_M)对应的绝对值最大。此时，对应I_A(0，u)、I_B(0，u)和I_C(0，u)曲线线性段的斜度变化最大，I(0，u)的轴向分辨力最高。
图5为三差动共焦显微镜强度响应I(v，u)的曲面，图6为其归一化曲面。图7为对应典型共焦显微镜强度响应I₃(v，u，0)的曲面，与I₃(v，u，0)相比I(v，u)的响应曲线明显得到锐化，I(v，u)≥0以上的旁瓣明显得到抑制。图8为当u_M＝5.21时，I₁(0，u，+u_M)、I₂(0，u，-u_M)、I₃(0，u，0)、I_C(0，u)和I(0，u)的响应曲线33、34、35、36和37，图9为u_M＝5.21时，I₁(0，u，+u_M)、I₂(0，u，-u_M)、I₃(0，u，0)、I_C(0，u)和I(0，u)的归一化响应曲线33、34、35、36和37。从图9可以看出，I(0，u)曲线37的半高宽明显小于I₃(0，u，0)曲线35的半高宽，即共焦显微镜的轴向分辨力得到改善，同时曲线I(0，u)两斜边下降段的线性也得到改善。由于I(0，u)是I₃(0，u，0)、I₂(v，u，-u_M)和I₁(v，u，+u_M)强度响应曲线间两两差动相减而得到的，因而共焦显微镜光强波动、样品表面反射率变化、环境干扰等因素对强度响应曲线I(0，u)的影响大为减小，因而显著改善了共焦显微镜的环境抗干扰能力，这一优点是已有轴向超分辨共焦显微镜无法比拟的。
当然u_M的选择应综合考虑，同时亦应考虑I(v，u)的光强大小，图10为u_M＝8.0时的轴向强度响应曲线，图10与图8相比，尽管图9中I(0，u)强度响应曲线的半高宽可能小，但图10的光强值却大，因此，选择u_M时应兼顾u_M对轴向超分辨效果和光强大小两方面的影响。
下面对本发明的轴向超分辨的三差动共焦显微镜装置的结构及工作原理结合实施例及附图详细说明如下：一种轴向超分辨的三差动共焦显微镜装置，包括光源1，依次放在光源发射端的扩束器2、空间滤波针孔26、偏振分光镜3、放置在偏振分光镜3透射光路上的四分之一波片4、物镜5，以及将偏振分光镜3反射后的测量光束第一次分为两束测量光的分光镜10、将分光镜10透射的光束再次分为两束测量光束的分光镜12，分别汇聚三束测量光的三个聚光镜17、6和13，依次位于三个聚光镜焦前位置、焦面位置和焦后位置的三个针孔18、7和14，以及分别贴近三个针孔后面的三个光电探测器19、8和15组成。本发明三差动轴向超分辨共焦显微镜还包括依次相连的三个聚焦信号差动处理系统20、21和22，一个计算机放大处理系统23，其中聚焦信号差动处理系统与光电探测器相连，将接收的传感信号经放大处理后，由计算机再进行数据处理。本发明三差动轴向超分辨共焦显微镜中，分光镜10的透反比为2∶1，分光镜12的分光比为1∶1，光强调节器9、11和16分别用于调节三束测量光束，使它们的光强基本相等。
本实施例：物镜5优先选用60×0.85的普通平场消色差显微物镜。光电探测器8、15和19优先采用美国NEWFOCUS公司生产的2001型光电接收器，饱和功率范围为10mW，最大可调增益为10⁴，最小噪声等效功率为0.25pW/Hz^1/2。
针孔7、14和18优先选用美国NERPORT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25的驱动器优先选用美国NEWFOCUS公司生产的大范围、高稳定性微位移驱动器，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，微位移驱动器每个驱动脉冲可获得2nm的进给。
对本实施例轴向超分辨三差动共焦显微镜装置的轴向超分辨性能进行初步测试，被测物选用量块，将量块置于载物台上，通过微调机构沿轴向调整台阶，使光触点聚焦在量块表面上，而后，沿轴向位移量块，微动工作台的分辨力为2nm，用HP5529A双频激光干涉仪检测量块的移动量，其分辨力为0.001μm，驱动系统能以分辨力为0.01μm的进给量微动台阶。
图12为测得的强度为I₁(0，u，-u_M)、I₂(0，u，+u_M)和I₃(0，u，0)的曲线34、33和35，以及I₁(0，u，-u_M)、I₂(0，u，+u_M)和I₃(0，u，0)间差动相减得到的强度为I_C(0，u)和I(0，u)的曲线36和37，图13为I₃(0，u，0)和I(0，u)的归一化曲线35和37，显然与共焦显微镜强度相应曲线35相比，本发明三差动共焦显微镜轴向强度响应曲线37的半高宽显著减小，线性得到显著改善，测量结果与前述理论分析和仿真曲线基本一致。