本發(fā)明涉及三維納米成像領(lǐng)域，具體的說是一種基于微透鏡的三維超分辨率干涉儀。

背景技術(shù)：

人眼所能分辨的最小顆粒的直徑大約為100微米，為了拓寬人類的觀察能力，一系列顯微成像技術(shù)被提出，其中基于光學(xué)的、電子的和掃描探針類的顯微鏡獲得了廣泛的應(yīng)用。

在正常環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)三維形貌測量的顯微成像技術(shù)主要包括光學(xué)的和掃描探針類顯微鏡。光學(xué)顯微鏡相對于其他成像方式表現(xiàn)出一些獨特的優(yōu)勢，比如：它是一種真正的彩色成像方式、可以實現(xiàn)非侵入無損成像、可以探測物體內(nèi)部信息、成本維護(hù)費用較低并且可以實現(xiàn)實時成像。然而光學(xué)衍射極限在很長一段時間內(nèi)將光學(xué)顯微鏡在橫向的分辨率限制在～250納米，在豎直方向分辨率限制在～500納米，束縛了其在納米成像領(lǐng)域的應(yīng)用。近些年來，通過巧妙利用熒光探針技術(shù)，一系列超分辨率熒光顯微鏡被提出，使得熒光顯微鏡在三個維度上實現(xiàn)了高達(dá)幾十納米的超分辨能力。然而這些超分辨率熒光顯微鏡都依賴于熒光染劑，需要對樣品進(jìn)行熒光染色，這就限制了其在非熒光成像領(lǐng)域的應(yīng)用，比如集成電路(IC)制造過程中的檢測。因此目前能夠在正常環(huán)境、白光條件下實現(xiàn)三維超分辨成像的方法只有掃描探針類顯微鏡。掃描探針類顯微鏡的分辨率來源于納米尺度的針尖，然而對探針的依賴性，也帶來固有的缺陷，其中最主要的是探針效應(yīng)(如：展寬效應(yīng))，并且掃描探針類顯微鏡的成像速度慢也限制了該技術(shù)的應(yīng)用。因此從基本原理上開發(fā)新型三維超分辨率顯微鏡在實現(xiàn)不同技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)拓展研究與觀測能力方面具有重要作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足之處，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于微透鏡的三維超分辨率干涉儀，用于從基本原理上提出新型的三維超分 辨率顯微鏡，實現(xiàn)與現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢互補(bǔ)，推動相關(guān)學(xué)科與產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種基于微透鏡的三維超分辨率干涉儀，包括干涉儀和微透鏡；所述微透鏡設(shè)置在第一物鏡與樣品之間，所述微透鏡置于樣品表面或者使微透鏡靠近樣品的頂端與樣品表面的距離小于1微米；干涉儀在微透鏡的成像區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生干涉條紋。

所述干涉儀是白光干涉儀。

所述白光干涉儀采用基于偏振原理的Linnik光路結(jié)構(gòu)。

所述物鏡的放大倍數(shù)不小于10倍。

所述微透鏡為微球或者其他能夠?qū)崿F(xiàn)水平方向超分辨率成像的微透鏡。

所述白光干涉儀的白光光源輸出的白光經(jīng)光纖導(dǎo)入照明系統(tǒng)，經(jīng)起偏器、由分束器反射，經(jīng)偏振分束器分成兩束，一束經(jīng)物鏡打在固定在納米移動臺的反射鏡上，一束經(jīng)第一物鏡和微透鏡照射在樣品表面。經(jīng)反射鏡和樣品反射后的兩光束經(jīng)過四分之一波片和檢偏器后通過鏡筒匯聚到相機(jī)。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果：

1、本發(fā)明采用微透鏡打破了光學(xué)衍射極限對光學(xué)顯微鏡橫向分辨率的限制，并利用白光干涉的原理獲得高度信息，采用完全基于光學(xué)的原理實現(xiàn)三維超分辨率成像。

2、由于本發(fā)明在成像時對環(huán)境無特殊要求，無需對樣品進(jìn)行復(fù)雜的處理、標(biāo)記，并且可以實現(xiàn)快速、非侵入、無損的三維超分辨率成像，因此在納米成像領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用，如集成電路(IC)制造與檢測。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖；

其中1是六軸載物臺，2是樣品，3是微透鏡，4是第一物鏡，5是偏振分束器，6是分束器，7是四分之一波片；8檢偏器，9是鏡筒，10是相機(jī)，11是起偏器，12是凸透鏡，13是光闌，14是凸透鏡，15是光闌，16是準(zhǔn)直器，17是照明系統(tǒng)，18是第二物鏡，19是反射鏡，20是納米移動臺，21是光 纖，22是白光光源，23是兩軸偏擺臺；

圖2為利用本發(fā)明對納米柵格(寬200nm，間距100nm，高度為15nm)實現(xiàn)的三維超分辨率成像；

其中圖2(a)為電子掃描顯微鏡對納米柵格的二維成像；圖2(b)為使用本發(fā)明對納米柵格實現(xiàn)的三維超分辨率成像；圖2(c)是使用本發(fā)明和原子力顯微鏡所獲得的三維超分辨率成像橫截面曲線的對比圖；

圖3為利用本發(fā)明對CPU內(nèi)部納米點陣列實現(xiàn)的三維超分辨率成像圖；

其中，圖3(a)為電子掃描顯微鏡對納米柵格的二維成像；圖3(b)為使用本發(fā)明對納米柵格實現(xiàn)的三維超分辨率成像；圖3(c)是使用本發(fā)明和原子力顯微鏡所獲得的三維超分辨率成像橫截面曲線的對比圖；

圖4為利用本發(fā)明對CPU內(nèi)部納米柵格實現(xiàn)的三維超分辨率成像圖；

其中，圖4(a)為電子掃描顯微鏡對納米柵格的二維成像；圖4(b)為使用本發(fā)明對納米柵格實現(xiàn)的三維超分辨率成像；圖4(c)是使用本發(fā)明和原子力顯微鏡所獲得的三維超分辨率成像橫截面曲線的對比圖；

圖5為利用本發(fā)明對商業(yè)化納米柵格實現(xiàn)的三維超分辨率成像圖；

其中，圖5(a)為使用本發(fā)明對納米柵格實現(xiàn)的三維超分辨率成像；圖5(b)是使用本發(fā)明和原子力顯微鏡所獲得的三維超分辨率成像橫截面曲線的對比圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明在干涉儀的第一物鏡4與樣品2間加入微透鏡3，白光干涉儀的第一物鏡4位于微透鏡3及樣品2的正上方。在工作時將白光干涉儀的工作平面聚焦到微透鏡3的像平面上，調(diào)節(jié)兩個物鏡的位置從而在微透鏡區(qū)域產(chǎn)生干涉條紋，沿光軸掃描參考反射鏡，并用相機(jī)記錄下在掃描過程中所產(chǎn)生的包含干涉條紋的圖像并發(fā)送至計算機(jī)保存、處理構(gòu)建三維超分辨率圖像。

如附圖1所示白光光源22輸出的白光經(jīng)光纖21導(dǎo)入照明系統(tǒng)17， 經(jīng)起偏器11、由分束器6反射，經(jīng)偏振分束器5分成兩束，一束經(jīng)第二物鏡18打在固定在納米移動臺20的反射鏡19上，一束經(jīng)第一物鏡4和微透鏡3照射在樣品2表面。經(jīng)反射鏡19和樣品2反射后的兩光束經(jīng)過四分之一波片7和檢偏器8后通過鏡筒9匯聚到相機(jī)10。

調(diào)節(jié)第一物鏡4和第二物鏡18相對于偏振分束器5的位置以及反射鏡19與第二物鏡18的距離，使得干涉條紋在微透鏡3成像區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生并且第一物鏡4的工作平面聚焦到微透鏡虛像平面。

通過調(diào)節(jié)起偏器11、四分之一波片7和檢偏器8獲得最清晰的干涉條紋。

通過調(diào)節(jié)六軸載物臺1中的沿水平方向的偏擺和兩軸偏擺臺23控制在微透鏡成像區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的白光干涉條紋出現(xiàn)在微透鏡中央?yún)^(qū)域。

對納米移動臺20進(jìn)行控制，實現(xiàn)沿光軸方向的掃描，在掃描過程中干涉條紋會出現(xiàn)變化，利用相機(jī)記錄下在掃描過程中所產(chǎn)生的包含干涉條紋的圖像并發(fā)送至計算機(jī)保存。對所獲得的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理構(gòu)建出三維超分辨率圖像，如附圖2、附圖3、附圖4、附圖5所示。

實施例一

1)取一藍(lán)光光盤，用剪刀剪取部分區(qū)域，將厚約100微米的透明保護(hù)膜去除，露出寬為100nm，間距為200nm，高度為15nm的平行條帶作為實驗樣品，如圖2所示。取CPU，除去封裝后，漏出的內(nèi)部結(jié)構(gòu)作為實驗樣品如圖3、圖4所示。

2)取適量5-200微米左右鈦酸鋇玻璃球微透鏡并均勻分散在圖2、圖3、圖4所示樣品表面，在有鈦酸鋇微透鏡區(qū)域滴加適量的去離子水并用蓋玻片密封。將此蓋玻片密封的樣品放于六軸載物臺1上。取適量5-200微米左右的聚苯乙烯微球分散在圖5所示樣品表面。

3)首先調(diào)節(jié)六軸載物臺1的z軸，使得樣品2表面處于成像光路中物鏡的工作平面處，實現(xiàn)樣品2表面的清晰成像。調(diào)節(jié)參考光路中的第一物鏡4距偏振分束器5的距離以及反射鏡19距第二物鏡18的距離，使得干涉條紋產(chǎn)生。

4)光源產(chǎn)生的白光通過光纖經(jīng)過準(zhǔn)直器16(OSL2COL，Thorlabs)導(dǎo)入到白光干涉儀。

5)旋轉(zhuǎn)起偏器11調(diào)整入射光的偏振方向，控制入射光進(jìn)入兩光路中的光強(qiáng)。調(diào)節(jié)四分之一波片7使兩束正交的線偏正光轉(zhuǎn)換成相反的圓偏振光。經(jīng)過檢偏器兩束圓偏振光中沿起檢偏器偏振軸的光分量通過，并發(fā)生干涉。通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)起偏器11、四分之一波片7和檢偏器8的角度可以對不同偏振態(tài)的光分量的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)從而實現(xiàn)干涉條紋的最清晰化。

6)將成像光路中第一物鏡4聚焦到微透鏡3的虛像平面，此時處于樣品表面的干涉條紋消失。調(diào)節(jié)成像光路中第一物鏡4與偏振分束器5的間距并同時調(diào)節(jié)六軸載物臺1的z軸保持第一物鏡4的工作平面聚焦于微透鏡3的虛像平面直至在微透鏡3成像區(qū)域內(nèi)觀察到干涉條紋。

7)重新調(diào)節(jié)參考光路中第一物鏡4相對于偏振分束器5的距離以及反射鏡19相對于第二物鏡18的距離，細(xì)微調(diào)節(jié)起偏器11、檢偏器8、四分之一波片7的角度直至實現(xiàn)干涉條紋的最清晰化

8)控制納米載物臺1(NPX25-105,nPoint)沿光軸帶動反射鏡19進(jìn)行掃描(行程：300nm，速度：37.8nm/s)。在掃描的同時使用相機(jī)10(PCO.Edge 5.5)以～400fps的幀速率進(jìn)行圖像采集，此時兩相鄰幀所對應(yīng)的納米載物臺1移動的移動距離為0.0945nm。

9)提取所獲取的圖像中每個像素出現(xiàn)最大光強(qiáng)時對應(yīng)的幀數(shù)，利用兩相鄰幀所對應(yīng)的納米載物臺1移動的距離進(jìn)行標(biāo)定處理從而獲得樣品的高度信息。

10)直接通過微透鏡3實現(xiàn)的超分辨率成像在水平方向為放大的虛像，因此需要對獲得結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，該過程可以通過具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸的樣品，或者經(jīng)過掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡標(biāo)定的樣品進(jìn)行標(biāo)定。