本發(fā)明屬于光學(xué)顯微干涉形貌測量領(lǐng)域，具體涉及一種基于寬帶環(huán)形徑向偏振光的超分辨顯微干涉測量方法。

背景技術(shù)：

1、顯微干涉具備微結(jié)構(gòu)三維形貌的無損測量能力，利用低相干垂直掃描，其軸向分辨率可達0.1nm，但其橫向分辨率受限于顯微成像的衍射極限，即便采用100倍的干涉顯微物鏡，最高僅為約200nm。

2、光學(xué)成像系統(tǒng)由于有限孔徑的衍射作用會有一個衍射極限分辨率。在無光學(xué)像差即衍射受限條件下，根據(jù)阿貝對成像分辨率的定義，基于非相干照明的光學(xué)顯微鏡可以達到的橫向分辨率極限為（na為系統(tǒng)數(shù)值孔徑）。光學(xué)成像系統(tǒng)中有限孔徑對光波的衍射，使得光學(xué)顯微成像技術(shù)的分辨率受到衍射極限的限制而無法進一步提高。

3、近十幾年來迅速發(fā)展起來了一系列熒光超分辨顯微成像技術(shù)，目前較成熟的有基于單分子成像的超分辨率顯微成像方法，包括光激活定位顯微技術(shù)（palm）、隨機光學(xué)重構(gòu)顯微技術(shù)（storm）和熒光激活定位顯微技術(shù)（fpalm）；以及通過改變光源的點擴散函數(shù)來提高成像分辨率的受激發(fā)射損耗顯微技術(shù)（sted），廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。但這些技術(shù)要求用特定的熒光探針對樣品進行標(biāo)記，而在顯微干涉測量中無法引入該技術(shù)手段。

4、光場調(diào)控是提升系統(tǒng)光學(xué)分辨率的有效手段，其方法有環(huán)形孔徑調(diào)制和偏振態(tài)調(diào)制。研究發(fā)現(xiàn)徑向偏振光是一種具有完美軸對稱分布的偏振光，其電場矢量沿光軸對稱分布且都沿徑向，在大數(shù)值孔徑聚焦下其縱向分量明顯增強，通過增加環(huán)形孔徑減弱橫向分量可以產(chǎn)生比自然光更小的聚焦點。

5、目前對徑向偏振光超分辨技術(shù)的研究中使用的光源均為單色激光光源，成像視場小，在對樣品實現(xiàn)超分辨成像時需搭配電動位移臺進行點掃描。peiwen?meng等在《demonstration?of?lateral?resolution?enhancement?by?focusing?amplitudemodulated?radially?polarized?light?in?a?confocal?imaging?system》一文中搭建實驗系統(tǒng)驗證了徑向偏振光的超分辨顯微效應(yīng)，其使用的光源為波長632.8nm的氦氖激光器，搭配電動位移平臺對樣品進行點掃描。上述成像方式效率低，在微結(jié)構(gòu)三維形貌的測量上點掃描的方法存在較大的局限性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出了一種基于寬帶環(huán)形徑向偏振光的超分辨顯微干涉測量方法，解決傳統(tǒng)激光點掃描帶來的效率低下問題，突破傳統(tǒng)顯微干涉形貌測量的橫向分辨率限制，提升傳統(tǒng)顯微干涉測量的形貌分辨率。

2、實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于寬帶環(huán)形徑向偏振光的超分辨顯微干涉測量方法，步驟如下：

3、步驟1、設(shè)計兩級中繼系統(tǒng)，以產(chǎn)生寬帶環(huán)形徑向偏振光；

4、兩級中繼系統(tǒng)包括光源、起偏器、第一聚光鏡、第一標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡、液晶空間光調(diào)制器、第二聚光鏡、第一立方分光棱鏡、檢偏器、第三聚光鏡、渦旋波片；

5、第一聚光鏡和第二聚光鏡構(gòu)成第一級中繼鏡組；

6、第二聚光鏡和第三聚光鏡構(gòu)成第二級中繼鏡組；

7、光源、起偏器、第一中繼鏡組、第一標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡、第一立方分光棱鏡、液晶空間光調(diào)制器構(gòu)成第一級中繼系統(tǒng)；

8、液晶空間光調(diào)制器、第二中繼鏡組、第一立方分光棱鏡、檢偏器、渦旋波片構(gòu)成第二級中繼系統(tǒng)。

9、共第一光軸依次設(shè)置光源、起偏器、第一聚光鏡、第一標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡，第一標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡的反射面與第一光軸的夾角為45°。

10、共第二光軸依次設(shè)置液晶空間光調(diào)制器、第二聚光鏡、第一立方分光棱鏡、檢偏器、第三聚光鏡、渦旋波片，第一立方分光棱鏡位于第一標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡的反射光路上；由渦旋波片出射寬帶環(huán)形徑向偏振光。

11、步驟2、搭建基于寬帶環(huán)形徑向偏振光的超分辨顯微干涉測量系統(tǒng)。

12、所述基于寬帶環(huán)形徑向偏振光的超分辨顯微干涉測量系統(tǒng)包括兩級中繼系統(tǒng)、第四聚光鏡、第五聚光鏡、第二立方分光棱鏡、第一顯微物鏡、待測樣品、壓電陶瓷pzt、第二顯微物鏡、第二標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡、管鏡、工業(yè)ccd相機；待測樣品設(shè)置在壓電陶瓷pzt上。

13、第四聚光鏡、第五聚光鏡、第二立方分光棱鏡、第一顯微物鏡、待測樣品共第二光軸設(shè)置在渦旋波片的后方；還有一條第三光軸通過第二立方分光棱鏡，沿第三光軸依次分布第二標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡、第二顯微物鏡、第二立方分光棱鏡、管鏡、工業(yè)ccd相機，且第三光軸與第二光軸垂直。

14、第一顯微物鏡、待測樣品、壓電陶瓷pzt構(gòu)成測試光路，第二顯微物鏡、第二標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡構(gòu)成參考光路。

15、第四聚光鏡、第五聚光鏡構(gòu)成科勒照明鏡組。

16、步驟3、光源發(fā)出多視場光束，經(jīng)起偏器生成線偏振光，經(jīng)第一聚光鏡會聚至第一標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡，再經(jīng)第一標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡反射90°后至第一立方分光棱鏡，經(jīng)第一立方分光棱鏡反射后的第一反射光經(jīng)第二聚光鏡至液晶空間光調(diào)制器，此時第一反射光為線偏振光，其偏振方向與液晶空間光調(diào)制器的液晶光閥長邊方向一致，由液晶空間光調(diào)制器對入射的線偏振光進行中空環(huán)形調(diào)制并反射，調(diào)制出的環(huán)形光束即為第二反射光，第二反射光經(jīng)第二聚光鏡至第一立方分光棱鏡，再經(jīng)第一立方分光棱鏡透射后經(jīng)過檢偏器，檢偏器的偏振方向與起偏器垂直，再經(jīng)第三聚光鏡會聚至渦旋波片，由渦旋波片對全視場光束進行偏振調(diào)制輸出寬帶環(huán)形徑向偏振光，再經(jīng)科勒照明鏡組后至第二立方分光棱鏡，第二立方分光棱鏡將光分為測試光和參考光，測試光透射至第一顯微物鏡，經(jīng)第一顯微物鏡后照明待測樣品，待測樣品反射后的攜帶待測樣品面型信息的第三反射光經(jīng)第一顯微物鏡至第二立方分光棱鏡，經(jīng)第二立方分光棱鏡反射進入管鏡，管鏡將攜帶待測樣品面型信息的第三反射光聚焦在工業(yè)ccd相機上；參考光被反射至第二顯微物鏡，經(jīng)第二顯微物鏡后照明第二標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡，第二標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡反射后的攜帶第二標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡面型信息的第四反射光經(jīng)第二顯微物鏡至第二立方分光棱鏡，經(jīng)第二立方分光棱鏡透射進入管鏡，管鏡將攜帶第二標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡面型信息的第四反射光聚焦在工業(yè)ccd相機上；同時參考光和測試光發(fā)生干涉。

17、步驟4、利用壓電陶瓷pzt控制待測樣品沿光軸方向微位移，由工業(yè)ccd相機采集待測樣品在第一顯微物鏡全視場范圍內(nèi)的若干幅移相干涉圖。

18、步驟5、采用垂直掃描干涉算法對采集到的若干幅移相干涉圖進行處理，得到待測樣品的三維形貌信息。

19、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點在于：

20、（1）本發(fā)明所述的一種基于寬帶環(huán)形徑向偏振光的超分辨顯微干涉測量方法使用的光源為寬光譜的擴展面光源，相較于現(xiàn)有研究使用的激光光源，寬光譜光源的相干長度遠(yuǎn)小于激光光源的相干長度，干涉信號受到相干包絡(luò)的快速衰減調(diào)制，只有當(dāng)探測光和參考光的光程差接近零時才會出現(xiàn)明顯的干涉信號；同時光源的發(fā)散角與待測的物方視場相匹配，通過科勒照明系統(tǒng)提供覆蓋待測視場且具有一定孔徑角的均勻照明，對待測樣品進行顯微干涉成像時直接獲取全視場干涉圖，無需再使用電動位移平臺對待測樣品進行點掃描，打破傳統(tǒng)激光點掃描帶來的效率低下問題。

21、（2）本發(fā)明所述的一種基于寬帶環(huán)形徑向偏振光的超分辨顯微干涉測量方法設(shè)計兩級中繼系統(tǒng)，通過液晶空間光調(diào)制器和渦旋波片實現(xiàn)對全視場光束的振幅及偏振調(diào)制，液晶空間光調(diào)制器將光源光束調(diào)制為環(huán)形中空光束，渦旋波片將線偏振光調(diào)制為徑向偏振光，可以直接產(chǎn)生寬帶環(huán)形徑向偏振光，結(jié)構(gòu)靈活，易于調(diào)節(jié)。

22、（3）本發(fā)明所述的一種基于寬帶環(huán)形徑向偏振光的超分辨顯微干涉測量方法利用徑向偏振光的緊聚焦特性，結(jié)合寬光譜擴展面光源在超分辨顯微干涉測量光路中通過移相干涉法測量微觀結(jié)構(gòu)的表面形貌，突破傳統(tǒng)顯微干涉形貌測量的橫向分辨率限制，提升傳統(tǒng)顯微干涉測量的形貌分辨率。