超分辨激光偏振差动共焦成像方法与装置 技术领域 本发明属于光学精密测量技术领域， 涉及一种超分辨激光偏振差动共焦成像方法 与装置， 可用于纳米制造领域中纳米级几何参数的高精度检测与计量。
技术背景 随着纳米加工与工艺技术的不断发展， 使具有纳米结构的器件呈现出体积日益精 细、 功能日趋多样的技术特征， 该技术特征要求纳米结构几何尺度的测试， 不仅具有极高的 空间分辨能力， 而且能进行大尺度、 高精度三维层析测量， 并能适应纳米制造中一致性与批 量化的迫切需求。
共焦显微术由于具有独特的纵向层析成像能力， 以及便于与超分辨技术相结合的 优势， 使得其在高分辨光学显微探测领域中独树一帜， 在纳米级测试与检测中发挥着极其 重要的作用。
目前， 在共焦显微成像方法与技术方面， 出现了差动共焦显微术、 双轴共焦显微 术、 共焦干涉显微术和 4π 共焦显微术等。但这些方法存在诸多局限和不足， 如： 差动共焦 显微术的轴向分辨力可达纳米量级， 是非干涉差分共焦显微术的 2 倍， 但其横向分辨力较 共焦显微术没有任何改善 ； 双轴共焦显微术的轴向分辨力有所提高， 但是是以牺牲了一部 分横向分辨能力为代价的， 其空间分辨力改善不明显 ； 双光束共焦自干涉显微法的横向分 辨力相对普通共焦显微术的横向分辨力改善了 38％， 对轴向分辨能力和层析能力毫无改 善； 4π 共焦显微法仅改善了轴向分辨能力， 对横向分辨力的改善没有贡献。
上述各测量原理及方法的局限， 迫使人们在传统的光学测量原理基础上利用新技 术、 新方法来突破衍射极限的限制， 实现光学远场成像技术的高空间分辨力成像检测。
目前， 国际上实现光学超分辨成像的研究主要集中在利用光瞳滤波器法， 依据部 分相干光理论， 采用编码光源照明的方法以及借助光的干涉、 偏振效应实现光学系统的超 分辨等。借助光的偏振效应实现光学系统超分辨成为国内外研究的热点。
基于偏振光实现光学超分辨的理论研究方面， 国内外学者做了大量的工作。2009 年在 《Advances in Optics and Photonics》上 发 表 的 《Cylindrical vector beams ： from mathematical concepts to applications》 一文中， 利用电偶极子辐射模型示意图 直观解释了利用径向偏振光实现紧聚焦的优势 ； 1959 年在 《Proceedings of the Royal Society of LondonA》上发表的 《Electromagnetic diffraction in optical systems I.An integralrepresentation of the image field》 中， 利用 Richards-Wolf 矢量衍射 理论的数值方法对此进行了更为深入的理论分析 ； 2005 年在 《OpticsExpress》 上发表的 《Direct measurement of a radially polarized focusedevanescent field facilitated by a single LCD》 和 2007 年在 《OpticsExpress》 上发表的 《Experimental measurement of longitudinal componentin the vicinity of focused radially polarized beam》 中， 通过直接测量和间接测量的方法对焦斑处的纵向场分量进行了实验验证 ； 2003 年在 《Optics Express》上 发 表 的 《Polarization-assisted transverse and axialoptical
superresolution》 中， 利用偏振方向相互垂直的高斯光束成功压缩了聚焦光斑和旁瓣大 小， 并从实验上证实了横向和轴向超分辨的可行性。
大量的研究工作表明， 利用径向偏振光的紧聚焦特性可以实现光学超分辨， 并成 为国内外学者研究的难点和热点问题。一般而言， 可以采用提高物镜数值孔径， 引入环形 光瞳或是二元光学元件等方法实现超分辨。2003 年在 《Physical Review Letters》上 发表的 《Sharper focusfor a radially polarized light beam》 一文中， 第一次从实验 2 上验证了径向偏振光聚焦的光斑大小为 0.16λ ， 远小于相同实验条件下利用线偏光聚焦 2 的光斑 (0.26λ ) ； 径向偏振光可以在焦点处产生纵向场分量， 如果使用环形光瞳， 这一分 量的相对贡献量增加 ； 2004 年在 《AppliedOptics》上发表的 《Annular pupils， radial polarization， andsuperresolution》一文中， 将环形滤波器与径向偏振光束照明相结 合， 可以减小横向场分量， 得到更小焦斑， 从而提高显微镜的分辨能力 ； 2004 年在 《Optics Communications》上 发 表 的 《Superresolution by meansof polarization， phase and amplitude pupil mask》 一文中， 基于光瞳滤波器能同时调制振幅， 相位和偏振态的特性， 提出了一种在高数值孔径成像系统中实现超分辨的方法。通过对光瞳面光场的偏振态、 相 位和振幅进行空间调制， 可以优化焦面处焦斑分布， 获得较小的焦斑 ； 2003 年在 《Optics Letters》 上发表的 《Ultrasmall focusing spot with a long depthof focus based on polarization and phase modulation》 一文中， 利用一个同心三环位相板将入射光调制 为 “内向 - 外向 - 内向” 偏振模式的光束， 将入射光束聚焦为一个超小的光斑 ； 2008 年在 《Nature Photonics》 上发表的 《Creation of a needle of longitudinally polarized light in vacuumusing binary optics》 一文中， 利用一个同心五环二元光学相位元件与高 数值孔径物镜结合， 将径向偏振光聚焦后， 在焦点附近获得极高纯度的纵向场分量， 得到的 焦斑大小小于衍射极限值。
以上研究表明， 将径向偏振光与光瞳滤波技术和大数值孔径物镜相结合， 可以很 好实现光斑紧聚焦， 显著改善成像系统的横向分辨力， 但其对轴向分辨力的改善没有贡献。
近年来， 国内外显微成像领域的差动共焦技术快速发展， 与传统共焦光路相比具 有更好的层析能力， 更高的轴向定位瞄准精度， 更强的环境抗干扰能力。例如中国专利 “具 有高空间分辨率的差动共焦扫描检测方法” ( 专利号 ： 200410006359.6)， 其提出了超分辨 差动共焦检测方法， 使系统轴向分辨力达到纳米级， 并显著提高了环境抗干扰能力， 但将差 动共焦技术与径向偏振光以及光瞳滤波技术相结合， 利用差动共焦技术显著改善轴向分辨 力， 利用径向偏振光和光瞳滤波技术显著改善横向分辨力， 从而实现空间分辨力的提高的 报道， 迄今为止尚未见到。 发明内容 本发明的目的是为了解决纳米制造领域中纳米级几何参数的高精度检测与计量， 提出了一种纳米级几何参数高分辨层析成像方法与装置。 本发明通过径向偏振光与光瞳滤 波技术相结合， 显著改善横向分辨力， 通过轴向偏置的双探测器系统差动相减探测技术， 显 著改善轴向分辨力， 继而显著改善系统空间分辨力和层析成像能力。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明超分辨激光偏振差动共焦成像方法， 包括以下步骤 ：
一、 入射光通过扩束器、 偏振态调制系统调制为径向偏振光， 经光瞳滤波器、 分光 镜、 物镜聚焦到被测样品表面， 样品表面的反射光再次经过物镜、 分光镜， 其反射光入射到 差动共焦系统 ； 差动共焦系统中第一针孔和第一探测器置于第一透镜焦前位置 +M 处， 第二 针孔和第二探测器置于第二透镜焦后位置 -M 处， 距离 M 对应的光学归一化位移为 uM， 轴向 和横向归一化坐标分别为 u 和 v ；
二、 对被测样品进行轴向扫描， 第一探测器和第二探测器分别测得反映被测样品 表面形貌信息的强度响应信号 I1(c， u， +uM) 和 I2(c， u， -uM)， 其差动响应为 F(c， u， uM) ；
三、 对被测样品进行横向扫描， 即可得到一组强度响应信号 I1(v， u， +uM) 和 I2(v， u， -uM)， 其差动响应为 F(v， u， uM) ；
四、 利用差动响应 F(v， u， uM) 即可重构被测样品的表面三维形貌及微观尺度。
本发明提供了一种超分辨激光偏振差动共焦成像装置， 包括激光光源， 依次放置 在激光光源发射端方向的扩束器、 偏振态调制系统、 光瞳滤波器、 分光镜， 依次放置于分光 镜透射光方向的物镜、 样品， 以及分光镜反射光方向反方向的差动共焦系统 ； 差动共焦系统 中的第一透镜、 第一针孔、 第一探测器依次放置在分光镜的透射光方向， 第二透镜、 第二针 孔、 第二探测器依次放置在分光镜的反射光方向， 第一探测器置于第一透镜焦前， 第二探测 器置于第二透镜焦后， 第一透镜与第二透镜焦距相等， 两探测器关于透镜焦点位置对称， 离 焦量大小相同方向相反。 本发明所述的测量装置， 可以用透镜和放置在透镜焦点位置的探测器构成的共焦 系统来代替差动共焦系统。
本发明所述的测量装置， 偏振态调制系统是由沿光轴依次放置在扩束器出射光线 方向的偏振调制器、 第一 λ/4 波片、 纯相位液晶空间光调制器和第二 λ/4 波片组成 ； 纯相 位液晶空间光调制器的快慢轴方向分别与第一 λ/4 波片和第二 λ/4 波片的快慢轴成 45° 角。
本发明所述的测量装置， 偏振态调制系统可以由沿光轴依次放置在扩束器出射光 方向的偏振调制器， 扭曲向列型液晶盒， 螺旋相位元件， 第一 λ/2 波片和第二 λ/2 波片组 成； 扭曲向列型液晶盒的一块基底做均匀单方向定向处理， 另一块基底做旋转对称单方向 处理， 从偏振调制器出射的线偏光的振动方向与扭曲向列型液晶盒轴平行 ；
本发明所述的测量装置， 偏振态调制系统可以由沿光轴依次放置在扩束器出射光 方向的偏振调制器、 分块 λ/2 波片空间变化延迟器、 聚焦透镜、 非共焦 Fabry-Perot 干涉仪 和准直透镜组成 ； 分块 λ/2 波片空间变化延迟器由 4 块或 8 块光学性质完全相同的 λ/2 波片拼接组合， 其快轴 ( 或慢轴 ) 与从偏振调制器出射的线偏光的振动方向的夹角分别为 0°、 45°、 90°和 -45° ( 或 0°、 22.5°、 45°、 67.5°、 90°、 -67.5°、 -45°和 -22.5° ) ；
本发明所述的测量装置， 光瞳滤波器是同心三环或五环二元光学元件， 与高数值 孔径物镜结合， 将径向偏振光聚焦后， 在焦点附近获得极高纯度的纵向场分量， 得到的焦斑 大小小于衍射极限值 ；
本发明所述的测量装置， 包括主控计算机和机电控制装置 ； 主控计算机通过探测 器获取差动共焦响应信号， 通过控制机电控制装置来调节样品的位置， 实现样品的三维扫 描移动。
有益效果 ：
本发明对比已有技术具有以下创新点 ：
1. 提出一种超分辨偏振光光瞳滤波差动共焦显微成像检测方法 ； 将径向偏振光 纵向场分量紧聚焦技术、 光瞳滤波技术与差动共焦技术有机融合， 利用径向偏振光纵向场 分量紧聚焦技术和光瞳滤波技术显著改善横向分辨力， 利用差动共焦技术显著改善轴向分 辨力， 从而达到提高空间分辨力的目的 ；
2. 提出一种基于液晶空间光调制技术和衍射光学技术的径向偏振光纵向场分量 产生方法 ； 利用纯相位液晶空间光调制器的二维可控编码特性， 配合偏振调制器、 λ/4 波 片进行偏振态调制得到径向偏振光， 利用衍射光学技术， 分离出径向偏振光的纵向场分量， 实现焦斑紧聚焦 ；
3. 提出一种基于分块 λ/2 波片空间变化延迟器调制技术与衍射光学技术的径向 偏振光纵向场分量产生方法 ； 利用分块 λ/2 波片空间变化延迟器的偏振调制特性， 配合偏 振调制器得到径向偏振光， 配合非共焦 Fabry-Perot 干涉仪进行模式选择提高径向偏振光 的纯度， 结合衍射光学技术， 分离出径向偏振光的纵向场分量， 实现焦斑紧聚焦 ；
本发明对比已有技术具有以下显著优点 ：
1. 径向偏振光超分辨技术与光瞳滤波技术的有机融合， 可显著改善差动共焦显微 成像系统的横向分辨力 ； 2. 差动工作方式显著改善了轴向响应特性的线性， 使焦点处对应的轴向响应特性 曲线线性最佳、 灵敏度最高， 可显著改善共焦显微系统的轴向成像能力 ；
3. 差动工作方式及径向偏振光的应用可有效抑制共模噪声， 提高探测信号的信噪 比， 显著改善系统抗干扰能力。
附图说明 图 1 为本发明超分辨激光偏振差动共焦成像方法示意图 ；
图 2 为采用共焦系统的成像方法示意图 ；
图 3 为采用纯相位液晶空间光调制器法产生径向偏振光示意图 ；
图 4 为采用扭曲向列型液晶盒法产生径向偏振光示意图 ；
图 5 为采用分块 λ/2 波片空间变化延迟器法产生径向偏振光示意图 ；
图 6 为带有 5 个同心圆环的二元光学相位元件示意图 ；
图 7 为本发明超分辨激光偏振差动共焦成像装置实施例示意图 ；
图 8 为采用共焦系统的超分辨激光偏振差动共焦成像装置实施例示意图 ；
图 9 为本发明当轴向归一化坐标 u ＝ 0， 物镜数值孔径 NA ＝ 0.95 时， 分别对共焦、 径向偏振共焦以及径向偏振环形光瞳共焦显微系统进行横向超分辨效果对比仿真图 ；
其中 ： 1- 激光器、 2- 扩束器、 3- 偏振态调制系统、 4- 光瞳滤波器、 5- 分光镜、 6- 物 镜、 7- 样品、 8- 差动共焦系统、 9- 分光镜、 10- 第一透镜、 11- 第一针孔、 12- 第一探测器、 13- 第二透镜、 14- 第二针孔、 15- 第二探测器、 16- 透镜、 17- 针孔、 18- 探测器、 19- 共焦系 统、 20- 偏振调制器、 21- 第一 λ/4 波片、 22- 纯相位液晶空间光调制器、 23- 第二 λ/4 波 片、 24- 偏振调制器、 25- 扭曲向列型液晶盒、 26- 螺旋相位元件、 27- 第一 λ/2 波片、 28- 第 二 λ/2 波片、 29- 偏振调制器、 30- 分块 λ/2 波片空间变化延迟器、 31- 聚焦透镜、 32- 非共 焦 Fabry-Perot 干涉仪、 33- 准直透镜、 34- 工作台、 35- 主控计算机、 36- 机电控制装置
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。
本发明将径向偏振、 光瞳滤波以及差动共焦技术相融合， 其基本思想是 ： 利用径向 偏振光、 光瞳滤波技术压缩焦斑， 改善横向分辨力 ； 利用轴向偏置的双探测系统差动相减探 测技术， 改善轴向分辨力， 实现了共焦显微系统空间分辨力的提高。
以点目标为被测件， 当轴向归一化坐标 u ＝ 0， 物镜数值孔径 NA ＝ 0.95 时， 分别采 用共焦、 径向偏振共焦以及径向偏振环形光瞳共焦显微系统进行横向超分辨的效果对比仿 真如图 9 所示。
实施例 1
如图 1、 图 3、 图 6、 图 7 所示， 采用纯位相型液晶空间光调制器与 λ/4 波片相结合 产生径向偏振光， 并结合同心五环二元光学元件对径向偏振光进行滤波， 采用本发明所述 的方法与装置进行显微成像。
如图 1 所示， 超分辨激光偏振差动共焦成像方法， 其原理为 ：
首先， 从激光器 1 出射的光通过扩束器 2、 偏振态调制系统 3 调制为径向偏振光， 经 光瞳滤波器 4、 分光镜 5、 物镜 6 聚焦到被测样品 7 表面， 样品 7 表面的反射光再次经过物镜 6、 分光镜 5， 其反射光入射到差动共焦系统 8 ； 差动共焦系统 8 中第一针孔 11 和第一探测器 12 置于第一透镜 10 焦前位置 +M 处， 第二针孔 14 和第二探测器 15 置于第二透镜 13 焦后位 置 -M 处， 距离 M 对应的光学归一化位移为 uM， 轴向和横向归一化坐标分别为 u 和 v ； 然后， 对被测样品 7 进行轴向扫描， 第一探测器 12 和第二探测器 15 分别测得反映 被测样品表面形貌信息的强度响应信号 I1(c， u， +uM) 和 I2(c， u， -uM)， 其差动响应为 F(c， u， uM) ；
而后， 对被测样品进行横向扫描， 即可得到一组强度响应信号 I1(v， u， +uM) 和 I2(v， u， -uM)， 其差动响应为 F(v， u， uM ) ；
最后， 利用差动响应 F(v， u， uM) 即可重构被测样品的表面三维形貌及微观尺度 ；
如图 7 所示， 超分辨激光偏振差动共焦成像装置实施例示意图， 其原理为 ：
首先， 将被测样品 7 放置于工作台 34 上， 工作台 34 采用宏 - 微结合方式， 在 x-y 宏工作台上集成基于压电陶瓷驱动器 PZT 和电容传感器构成的微位移二维工作台， 启动主 控计算机 35 中的测量软件。
然后， 打开激光器 1， 其发出的光经扩束器 2 扩束入射到偏振态调制系统 3 中， 并被 调制为径向偏振光， 经光瞳滤波器 4 滤波后入射到分光镜 5， 透射光入射到物镜 6， 会聚到样 品 7 表面并被其反射， 样品 7 表面反射光再次通过物镜 6， 并被分光镜 5 反射， 入射到差动 共焦系统 8 ； 差动共焦系统 8 中第一针孔 11 和第一探测器 12 置于第一透镜 10 焦前位置 +M 处， 第二针孔 14 和第二探测器 15 置于第二透镜 13 焦后位置 -M 处， 距离 M 对应的光学归一 化位移为 uM， 轴向和横向归一化坐标分别为 u 和 v ；
而后， 物镜 6 在压电陶瓷驱动器 PZT 的驱动下作轴向扫描移动， 被测样品 7 表面内 ( 或内部剖面内， 对透明样品而言 ) 的聚焦信息被差动共焦系统 8 中的第一探测器 12 和第 二探测器 15 接收探测， 强度响应信号分别为 I1(c， u， +uM) 和 I2(c， u， -uM)， 将强度响应信号 I1(c， u， +uM) 和 I2(c， u， -uM) 进行差动相减得到差动响应曲线 F(c， u， uM) ；
再次对被测样品进行横向扫描， 得到一组强度响应信号 I1(v， u， +uM) 和 I2(v， u， -uM)， 其差动响应为 F(v， u， uM) ；
利用差动响应 F(v， u， uM) 即可重构被测样品的表面三维形貌及微观尺度。
如图 3 所示， 偏振态调制系统 3 包括沿光轴依次放置在扩束器 2 出射光线方向的 偏振调制器 20、 第一 λ/4 波片 21、 纯相位液晶空间光调制器 22 和第二 λ/4 波片 23 ； 纯相 位液晶空间光调制器 22 的快慢轴方向分别与第一 λ/4 波片 21 和第二 λ/4 波片 23 的快 慢轴成 45°角 ；
如图 6 所示， 光瞳滤波器 4 采用同心五环二元光学元件， 与高数值孔径物镜 6 结 合， 将径向偏振光聚焦后， 在焦点附近获得极高纯度的纵向场分量， 得到的焦斑大小小于衍 射极限值 ；
其装置还包括主控计算机 35 和机电控制装置 36 ； 主控计算机 35 通过光电探测器 获取差动共焦响应信号， 通过控制机电控制装置 36 来驱动物镜 6 的移动， 从而实现样品的 三维扫描。
如图 9 所示为轴向归一化坐标 u ＝ 0， 物镜数值孔径 NA ＝ 0.95 时， 以点目标为被 测件， 分别采用共焦、 径向偏振共焦以及径向偏振环形光瞳共焦显微系统进行横向超分辨 的效果对比仿真图。从图中可以看出， 采用径向偏振环形光瞳共焦系统的横向分辨特性最 优， 较共焦显微成像系统的分辨力改善了 33％。
实施例 2
如图 2 和图 8 所示分别为采用共焦系统的超分辨激光偏振差动共焦成像方法和装 置实施例示意图。将实施例 1 图 1 和图 7 中的差动共焦系统 8 替换为图 2 和图 8 中的共焦 系统 19， 即可构成采用共焦系统的超分辨激光偏振差动共焦成像方法和装置实施例 2。与 实施例 1 所不同的是， 光线进入共焦系统 19 后， 经透镜 16 聚焦到针孔 17 并被探测器 18 接 受探测。其余测量方法与装置与实施例 1 相同。
实时例 3
如图 4 和图 7 所示， 将实施例 1 图 7 中的偏振态调制系统替换为图 4 中的偏振态 调制系统， 即可构成实施例 3。与实施例 1 所不同的是， 光线进入偏振态调制系统 3 后， 经 偏振调制器 24 将入射的激光光束调制为线偏光， 入射到扭曲向列型液晶盒 25、 螺旋相位元 件 26、 λ/2 波片 27 以及 λ/2 波片 28 后调制为径向偏振光， 扭曲向列型液晶盒 25 的一块 基底做均匀单方向定向处理， 另一块基底做旋转对称单方向处理， 从偏振调制器 24 出射的 线偏光的振动方向与扭曲向列型液晶盒 25 轴平行。其余测量方法与实施例 1 相同。
实施例 4
如图 5 和图 7 所示， 将实施例 1 图 7 中的偏振态调制系统替换为图 5 中的偏振态 调制系统， 即可构成实施例 4。 与实施例 1 所不同的是， 光线进入偏振态调制系统 3 后， 经偏 振调制器 29 将入射的激光光束调制为线偏光， 入射到分块 λ/2 波片空间变化延迟器 30 调 制为径向偏振光， 经聚焦透镜 31 聚焦到非共焦 Fabry-Perot 干涉仪 32 进行模式选择并得 到纯度更高的径向偏振光， 经准直透镜 33 准直后出射 ； 分块 λ/2 波片空间变化延迟器 30 由 4 块或 8 块光学性质完全相同的 λ/2 波片拼接组合， 其快轴 ( 或慢轴 ) 与从偏振调制器 29 出射的线偏光的振动方向的夹角分别为 0°、 45°、 90°和 -45° ( 或 0°、 22.5°、 45°、 67.5°、 90°、 -67.5°、 -45°和 -22.5° )。其余测量方法与实施例 1 相同。以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明， 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 础上的改动都是本发明的保护范围。