分割焦斑探测的超分辨双轴差动共焦测量方法与装置

摘要

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种分割焦斑探测的超分辨双轴差动共焦测量方法与装置。该方法与装置利用探测器横向偏移可使双轴共焦显微技术的轴向响应曲线产生相移这一特性，在双轴共焦显微结构中采用分割焦斑的横向差动探测方式接收测量光束并进行处理，并结合超分辨光瞳滤波技术，实现了提高系统分辨力、扩展工作距离、提高抗干扰能力和改善线性范围的目的。可用于微电子、材料、工业精密检测、生物医学等领域中进行精密测量。

主权项

一种分割焦斑探测的超分辨双轴差动共焦测试方法，其特征在于：在双轴共焦显微结构中采用分割焦斑的横向差动探测方式，包含以下步骤：(a)将照明透镜和采集透镜对称地布局在测量面法线两侧，使照明光轴和采集光轴与测量面法线的夹角大小均为θ，以测量面法线方向为测量轴线，建立系统坐标系(x，y，z)；(b)光源(波长λ)经由照明透镜聚焦到被测样品表面，含有样品信息的反射光束被反射进入采集透镜；(c)经采集透镜出射的光束成像于采集透镜焦面上，显微物镜将采集透镜焦面上的焦斑放大并成像在CCD探测器上；(d)计算机从CCD探测器上获取焦斑图像，当被测样品位于系统焦面上时，计算机计算出此时焦斑图像的中心，以此中心作为坐标原点，建立CCD探测器像面上的坐标系(xd′，yd′)，在xd′轴上对称设置两个具有相同半径的圆形虚拟针孔对焦斑图像进行分割探测，分别为第一虚拟针孔和第二虚拟针孔，其对应的针孔横向偏移量为M；(e)当被测样品进行扫描时，计算机分别计算出第一虚拟针孔和第二虚拟针孔范围内像素灰度总和，得到强度响应I1(x，y，z，-vxM)和I2(x，y，z，+vxM)，其中vxM是对应于M的归一化横向偏移量；(f)将I1(x，y，z，-vxM)和I2(x，y，z，+vxM)差动相减得到带有被测样品凸凹变化的强度I(x，y，z，vxM)，由下式计算I(x，y，z，vxM)：I(x，y，z，vxM)＝I1(x，y，z，-vxM)-I2(x，y，z，+vxM)＝|hi(xi，yi，zi)×hc(xc，yc，zc，-vxM)|2-|hi(xi，yi，xi)×hc(xc，yc，zc，+vxM)|2其中 h i ( x i , y i , z i ) = ∫ ∫ - ∞ + ∞ P i ( x iρ , y iρ ) exp [ iu i 2 ( x iρ 2 + y iρ 2 ) ] × exp [ i ( v ix x iρ + v iy y iρ ) ] dx iρ dy iρ h c ( x c , y c , z c , v xM ) = ∫ ∫ - ∞ + ∞ P c ( x cρ , y cρ ) exp [ iu c 2 ( x cρ 2 + y cρ 2 ) ] × exp { i [ ( v cx + v xM ) x cρ + v cy y cρ ] } dx cρ dy cρ 已知参数包括照明透镜的瞳函数Pi(xiρ，yiρ)、归一化径向光学坐标vix和viy、归一化轴向坐标ui，采集透镜的瞳函数Pc(xcρ，ycρ)、归一化径向光学坐标vcx和vcy、归一化轴向坐标uc。(g)根据I(x，y，z，vxM)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；(h)优化第一虚拟针孔和第二虚拟针孔对应的针孔横向偏移量以及夹角的大小，使得系统的分辨力达到最佳。