一种基于光镊介质微球的超分辨三维形貌测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光镊介质微球的超分辨三维形貌测量方法，以介质微球为核心，采用光镊原理阵列化操控多个介质微球，灵活控制其三维空间位置，获得最佳成像效果。与此同时，通过DMD投影正弦光栅条纹对介质微球成像空间进行编码，利用其光场分布特性，解算受待测结构调制的介质微球编码图像，实现横向图形矫正以及纵向高度重建。该方法能够在远场区域，通过面成像方式，实现特征尺寸100nm以下的微纳器件三维形貌测量，同时具有高灵活性、高分辨力、并行、快速测量等优点。

A Super-Resolution Three-Dimensional Topography Measurement Method Based on Optical Tweezers Medium Microspheres

The invention discloses a super-resolution three-dimensional topography measurement method based on optical tweezers dielectric microspheres, which takes the dielectric microspheres as the core, uses optical tweezers principle to array and manipulate multiple dielectric microspheres, flexibly controls their three-dimensional spatial position, and obtains the best imaging effect. Meanwhile, the imaging space of dielectric microspheres is coded by using DMD projection sinusoidal grating fringes, and the encoded image of dielectric microspheres modulated by the structure to be measured is solved by using its light field distribution characteristics, so as to realize the lateral pattern correction and vertical height reconstruction. The method can measure the three-dimensional morphology of micro-nano devices with feature size less than 100 nm in the far-field region by surface imaging, and has the advantages of high flexibility, high resolution, parallel and fast measurement.

【技术实现步骤摘要】
一种基于光镊介质微球的超分辨三维形貌测量方法
本专利技术属于光学测量工程的
，具体涉及一种基于光镊介质微球的超分辨三维形貌测量方法。
技术介绍
微纳器件利用微米、甚至纳米量级的特征结构，能够突破传统宏观结构在功能以及性能上的局限，是国际研究前沿及热点。微纳器件研究水平，已成为衡量一个国家科技水平的重要标志。微纳器件的研究过程，离不开精密面形检测。面形作为设计阶段的最终输出，通过对其进行检测，不仅能够检测器件加工质量，确保加工满足设计要求。更为重要的是，通过对面形进行高精度检测，结合器件性能测试结果，能够建立结构特征与其功能及性能之间的直接联系，对探索微纳器件内在机理有重要的意义。高精度微纳检测方法与技术不仅是获取物质微观信息的重要手段，同时也为高精度光学加工等先进微纳制造技术保驾护航。微纳器件检测分为非光学以及光学测量两类，并以非光学测量手段为主。非光学测量手段，包括扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜以及原子力显微镜等。该类方法具有极高的横向测量分辨力，能够达到纳米甚至亚纳米量级。但这类方法在测量环境、被测对象材质以及测量效率等方面仍存在局限。更为重要的是，由于采用了电子束、离子束等高能量粒子，或探针作为测量媒介，将对被测结构造成损伤。而光学测量方法具有无损伤、样品限制小、环境要求低、并行测量效率高等优点，并且能够获得极高的纵向分辨力。光学测量方法根据作用距离的远近，可以分为近场测量方法与远场测量方法两类。其中，近场测量方法作用距离极短、测量效率低，极大的限制了在三维测量中的应用。而远场超分辨测量方法，具有极强的可操作性。基于共聚焦原理结合光瞳滤波、超振荡等技术，能够将横向分辨力提升至100nm左右，但由于是点测量方式，测量效率低。而基于结构光频域调制方法，能够以面成像方式，突破衍射效应限制，但受限于测量原理，横向分辨力仅能提升一倍，至100nm左右。为了进一步突破衍射极限，各种新的测量方法被不断提出。这其中，受自然界液滴能够实现更高成像分辨力现象启发，2011年，王增波小组在《NatureCommunications》上提出了基于介质微球的超分辨成像技术，将直径微米量级的介质微球，与传统显微镜结合，采用白光作为光源，实现1/8波长，50nm超分辨力成像。该方法具有低成本、高分辨力等优点，在众多远场超分辨测量技术中独具一格。目前使用介质微球用于三维测量仍然存在很多问题：测量视场狭窄，图像变形；微球直接放置在样品表面，无法获得最佳成像质量；大多用于二维测量。因此，为了促进微纳器件的发展，研究基于光镊介质微球的超分辨三维形貌测量方法具有十分重要的意义。本测量方法采用光镊原理，阵列化、独立操控介质微球，克服微球直接放置在样品表面的缺点，可获得最佳成像效果，且能有效扩大成像视场，提高测量效率，同时，利用光场编码技术，通过光场调制解调，可快速获得高精度微纳器件三维形貌信息，从而实现一种基于光镊介质微球的超分辨三维形貌测量方法。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于光镊介质微球的超分辨三维形貌测量方法，可以实现高灵活性、高分辨力、并行、快速测量，测量精度可到纳米量级。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于光镊介质微球的超分辨三维重构测量方法，以介质微球为核心，采用光镊技术，实现介质微球三维空间位置的任意操控，获得最佳成像效果，并编码其成像光场分布。在此基础上，通过探测受待测物体调制的编码图像，结合纵向扫描，实现对待测结构纵向高度的高精度测量，以及横向空间位置精确校正，实现高精度超分辨三维测量。测量系统光学部分主要可以分为三大部分，分别是操控光路、编码光路、探测光路。所述方法包括步骤为：步骤S1：在操控光路中，加载预先计算好的期望相位分布到纯相位型空间光调制器上，准直扩束后的激光由纯相位型空间光调制器调制并反射，缩束后经物镜聚焦形成阵列化光势阱，从而同时捕获多个介质微球，独立操控介质微球获得最佳成像效果。步骤S2：在编码光路中，通过上位机程序控制压电陶瓷等步距垂直扫描待测物体，每一步扫描，利用DMD投影正弦光栅条纹，对阵列化介质微球成像空间进行编码，并投影到待测结构，利用CCD系统记录受待测结构调制的介质微球编码图像，再存储到计算机。步骤S3：根据采集的编码图像，利用已知的横向编码规律，实现介质微球横向图像畸变矫正，提高成像质量。步骤S4：利用相移法，从编码图像的纵向变化规律中解调待测结构高度信息，从而实现高精度三维形貌测量。其中，操控光路采用光镊原理，实现对介质微球三维空间位置操控。该部分采用激光光源，利用相位型空间光调制器对激光场相位进行调制，通过高倍率显微镜形成阵列化强聚焦点，以实现阵列化介质微球灵活操控。可使用的介质微球包括折射率为1.46的二氧化硅微球、折射率为1.59的PS微球、折射率为1.9的钛酸钡微球、折射率为2.2的二氧化钛微球。其中，编码光路采用LED光源，利用空间光调制器，实现对入射光场振幅的任意调制，通过高倍率显微镜，在介质微球成像空间生成任意所需的光强分布，实现对介质微球成像空间的编码标记。其中，探测光路通过高倍率显微镜观察置于介质微球成像空间的待测结构，并通过成像传感器CCD记录受待测结构调制的介质微球编码光强分布。其中，测量系统中所有光路均共用同一高倍率显微镜，便于实现介质微球操控，并提高介质微球成像分辨力，采用浸没式测量方式，将介质微球以及待测结构均置于浸没液中进行测量。其中，测量过程中，介质微球在操控光路的作用下，其三维空间位置确定。由编码光路在介质微球成像空间生成任意所示光强分布，实现成像空间三维光场标记。此时将待测结构置于介质微球成像空间中，并随压电陶瓷进行纵向扫描运动，由探测光路记录处于不同高度的，受待测结构形貌信息调制的系列编码光强分布，通过解调实现对待测结构的超分辨三维形貌测量。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)、本专利技术采用光镊技术实现阵列化介质微球灵活操控，精确控制微球位置，实现最佳成像质量，同时扩大成像视场，提高检测效率。(2)、本专利技术能够实现高精度三维测量，通过标记成像空间三维光场分布，不仅能够从编码图像的纵向变化规律中解调待测结构高度信息，而且能够利用已知的横向编码规律，实现对微球成像质量的校正，从而提高微球成像质量，实现高精度超分辨三维形貌测量。附图说明图1为本专利技术一种基于光镊介质微球与DMD投影条纹实现超分辨三维形貌测量流程图。图2为本专利技术光镊捕获介质微球与光场调制解调实现超分辨三维测量示意图。其中，201为633nm激光器，202为纯相位型空间光调制器，203为第一双凸透镜，204为第二双凸透镜，205为二向色镜，206为显微物镜，207为介质微球，208为浸没液体，209为待测物体，210为LED白光光源，211为DMD数字微镜阵列，212为第一Tube镜，213为分光镜，214为滤光镜，215为第二Tube镜，216探测器CCD，217为样品池，218为压电陶瓷。图3为GS算法迭代过程示意图。图4为SiO2介质微球扫描电镜图。图5为介质微球聚焦光场分布。图6为介质微球阵列成像实例。图7为光场编码畸变图像。图8为理想相位与光场畸变相位示意图。图9为编码光场分布示意图。图10为携带物体高度信息的调制度分布示意图。具体实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光镊介质微球的超分辨三维形貌测量方法，其特征在于：所述方法包括步骤为：步骤S1：在操控光路中，加载预先计算好的期望相位分布到纯相位型空间光调制器上，准直扩束后的激光由纯相位型空间光调制器调制并反射，缩束后经物镜聚焦形成阵列化光势阱，从而同时捕获多个介质微球，独立操控介质微球获得最佳成像效果；步骤S2：在编码光路中，通过上位机程序控制压电陶瓷等步距垂直扫描待测物体，每一步扫描，利用DMD投影正弦光栅条纹，对阵列化介质微球成像空间进行编码，并投影到待测结构，利用CCD系统记录受待测结构调制的介质微球编码图像，再存储到计算机；步骤S3：根据采集的编码图像，利用已知的横向编码规律，实现介质微球横向图像畸变矫正，提高成像质量；步骤S4：利用相移法，从编码图像的纵向变化规律中解调待测结构高度信息，从而实现高精度三维形貌测量。

【技术特征摘要】
1.一种基于光镊介质微球的超分辨三维形貌测量方法，其特征在于：所述方法包括步骤为：步骤S1：在操控光路中，加载预先计算好的期望相位分布到纯相位型空间光调制器上，准直扩束后的激光由纯相位型空间光调制器调制并反射，缩束后经物镜聚焦形成阵列化光势阱，从而同时捕获多个介质微球，独立操控介质微球获得最佳成像效果；步骤S2：在编码光路中，通过上位机程序控制压电陶瓷等步距垂直扫描待测物体，每一步扫描，利用DMD投影正弦光栅条纹，对阵列化介质微球成像空间进行编码，并投影到待测结构，利用CCD系统记录受待测结构调制的介质微球编码图像，再存储到计算机；步骤S3：根据采集的编码图像，利用已知的横向编码规律，实现介质微球横向图像畸变矫正，提高成像质量；步骤S4：利用相移法，从编码图像的纵向变化规律中解调待测结构高度信息，从而实现高精度三维形貌测量。2.根据权利要求1所述的一种基于光镊介质微球的超分辨三维形貌测量方法，其特征在于：根据光镊原理，强聚焦阵列化光势阱可同时捕获多个介质微球，独立操控介质微球可灵活改变其空间位置，获得最佳成像效果；。可使用的介质微球包括折射率为1.46的二氧化硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘锡，唐燕，谢仲业，杨可君，赵立新，胡松，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51