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共焦干涉顯微鏡的背景補(bǔ)償?shù)闹谱鞣椒?

文檔序號:6138431閱讀:730來源:國知局
專利名稱:共焦干涉顯微鏡的背景補(bǔ)償?shù)闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及光學(xué)、聲學(xué)和電子成橡,包括利用這些圖像來對生物、集成電路和其他樣品進(jìn)行精密測量。
本發(fā)明的背景本申請與H.A.Hilt(希爾)、P.H.Oglesby(奧格萊斯比)和D.A.Ziebell(齊貝爾)共同提出的待審批專利申請有關(guān),該待審批申請的標(biāo)題為“Method and Apparatus for Discriminating in-focusImages from Out-of-Focus Light Signals from Background andForeground Light Sources(從由背景光源和前景光源產(chǎn)生的離焦光信號中鑒別出在焦像的方法和設(shè)備)”流水號為08/658,365,遞交日期為1996年6月5日,代理人登記號為5391-A-03,該待審批申請的全部內(nèi)容專門在此引用作為參考。
本發(fā)明涉及快速、精確地產(chǎn)生一個物體或其截面的在焦像的技術(shù),其中來自離焦前景和/或背景光源的光信號對統(tǒng)計誤差和系統(tǒng)誤差的影響大部分已被消除。
共焦顯微鏡和共焦干涉顯微鏡例如在生命科學(xué)、生物樣品研究、工業(yè)檢驗和半導(dǎo)體計量等領(lǐng)域有許多應(yīng)用。這是因為這些儀器具有獨特的三維成像能力。
或許當(dāng)離焦像造成的背景明顯強(qiáng)于在焦像信號時將遇到最困難的多維成像。當(dāng)研究厚樣品時,特別是當(dāng)共焦系統(tǒng)工作于反射模式而不是透射模式時,這種情況常常會出現(xiàn)。
有兩種一般的方法可以確定三維顯微鏡樣品的體特性。這兩種方法是基于普通顯微鏡和共焦顯微鏡的。一般地說,相對于共焦顯微鏡方法而言,普通的顯微鏡方法獲取三維圖像的數(shù)據(jù)所需的時間較短,但處理這些數(shù)據(jù)所需的時間較長。
在普通的成像系統(tǒng)中,當(dāng)被成像物體的某一部分沿軸向偏離其最佳聚焦位置時,像的對比度將下降但其亮度卻保持不變,所以像中的偏離、非聚焦部分將對物體的聚焦部分的觀察產(chǎn)生干擾。
如果已知系統(tǒng)的點擴(kuò)散函數(shù),并且獲得了物體每個獨立斷面的像,則可以對這些像應(yīng)用已知的計算機(jī)算法來有效地除去離焦光所貢獻(xiàn)的信號,產(chǎn)生僅含在焦數(shù)據(jù)的圖像。這些算法叫做“計算機(jī)退卷積”,有幾種不同的類型,為了獲得所希望的統(tǒng)計精度,一般需要昂貴的計算機(jī)設(shè)備,很長的計算時間和大量的數(shù)據(jù)。
寬場方法(WFM)利用一個普通的顯微鏡相繼地獲取整個感興趣體積內(nèi)的一組相鄰焦平面的像。每個像都用一個致冷的電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器記錄,其中包含同時來于在焦像面和離焦像面的數(shù)據(jù)。關(guān)于WFM請參見D.A.Agard(阿加德)和J.W.Sedat(塞達(dá)特)的論文“three-dimensional Analysis of Biological SpecimensUtilizing Image Processing Techniques(利用圖像處理技術(shù)對生物樣品的三維分析)”,Proc SPIE,264,110-117,1980;D.A.Agard、R.A.Steinberg(斯坦伯格)和R.M.Stroud(史屈勞德)的論文“Quantitative Analysis of EletrophoretogramsA MathematicalApproach to Super-Resolution(電泳圖的定量分析一種超分辨的數(shù)學(xué)方法)”,Anal Biochem 111,257-268,1981;D.A.Agard、Y.Hiraoka(希拉奧卡)、P.Shaw(肖)和J.W.Sedat的論文“FluorescenceMicroscopy in Three Dimensions(三維熒光顯微鏡)”,Methods CellBiol 30,353-377,1998;D.A.Agard的論文“Optical SectioningMicroscopyCellular Architecture in Three Dimensions(光學(xué)層析顯微鏡三維蜂窩體系)”,Annu.Rev.Biophys.Bioeng.13,191-219,1984;Y.Hiraoka、J.W.Sedat和D.A.Agard的論文“The Use of aCharge-Coupled Device for Quantitative Optical Microscopy ofBiological Structure(利用電荷耦合器件的生物結(jié)構(gòu)定量光學(xué)顯微鏡)”,Sci,238,36-41,1987;以及W.Denk(鄧克)、J.H.Strickler(史曲列克勒)和W.W.Webb(韋伯)的論文“Two-Photon Laser ScanningFluorescence Microscopy(雙光子激光掃描熒光顯微鏡)”,Sci.248,73-76,1990。關(guān)于致冷的CCD圖像傳感器請參見J.Kristian(克里斯汀)和M.Blouke(勃魯克)的論文“Charge-coupled Devicesin Astronomy(天文學(xué)中的電荷耦合器件)”,Sci.Am.247,67-74,1982。
激光計算層析技術(shù)已用普通顯微鏡實現(xiàn)。S.Kawata(卡瓦塔)、O.Nakamura(那卡姆拉)、T.Noda(挪達(dá))、H.Ooki(奧基)、K.Ogino(奧其諾)、Y.Kuroiwa(克勞依瓦)、和S.Minami(米那米)等人的論文“Laser Computed Tomography microscope(激光計算層析顯微鏡)”(Appl.Opt.29,3805-3809,1990)中所討論的系統(tǒng)基于一種與X射線計算層析技術(shù)緊密相關(guān)的原理,但它不是采用二維分層重建,而采用了三維體重建。一個厚的三維樣品的一些投影圖像由一個修改成帶有傾斜照明系統(tǒng)的普通透射式顯微鏡獲取,而樣品內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)則由計算機(jī)重建。其中獲取數(shù)據(jù)所需的時間短于處理三維圖像數(shù)據(jù)所需的時間。S.Kawata等人的上述論文中的一個實驗表明,對于80×80×36體像素(voxel)的重建需要幾分鐘的時間來獲取全部投影圖和把它們送于微型計算機(jī)。其后,為了獲得重建的數(shù)字圖像約需30分鐘,雖然他們使用了一個速度為每秒2千萬次浮點運(yùn)算(20MFLOPS)的矢量處理器。
在普通的點或針孔共焦顯微鏡中,來自一個點光源的光被聚焦在一個稱之為斑(spot)的十分小的空間內(nèi)。顯微鏡把由這個斑反射、散射、或透射的光聚焦到一個點狀探測器上。在反射型點共焦顯微鏡中,入射光被樣品的位于斑中的那一部分反射或后向散射。樣品的位于斑外的部分所反射或后向散射的光都不能聚焦在探測器上,于是這些光將彌散,使得點探測器只接收到這些反射或后向散射光的一小部分。在透射型點共焦顯微鏡中,除了在樣品的斑部分被散射或吸收之外,入射光將被透射。通常,點光源和點探測器可以分別用在普通的光源和普通的探測器前面放置一個帶針孔的掩膜來近似。
類似地,在普通地狹縫共焦顯微鏡系統(tǒng)中,來自一個線光源的光被聚焦在一個十分狹長的空間內(nèi),這個空間也叫做斑。狹縫共焦顯微鏡把自這個斑反射、散射、或透射的光聚焦在一個線探測器上。線光源和線探測器可分別用在普通的光源前面放置一個帶狹縫的掩膜和一排普通的探測器來近似?;蛘?,線光源也可以用一個聚焦激光束掃描被成像或被檢驗物體來近似。
由于只有物體的一小部分被共焦顯微鏡成像,所以為了獲得足夠的圖像數(shù)據(jù)來產(chǎn)生物體的完整二維或三維影像,被成像物體必須運(yùn)動,或者光源和探測器必須運(yùn)動。以往,為了獲得二維圖象數(shù)據(jù)的相繼各線,狹縫共焦顯微鏡使物體沿著垂直于狹縫的方向線性運(yùn)動。另一方面,為了獲取二維圖像數(shù)據(jù)只有一個針孔的點共焦系統(tǒng)必需按二維方式運(yùn)動;而為了獲取一組三維圖像數(shù)據(jù)它必須按三維方式運(yùn)動。典型地,先把原始圖像數(shù)據(jù)存儲下來,然后再對它們進(jìn)行處理以獲得被檢驗或被成像物體的二維截面或三維圖像。由于相對于普通顯微鏡來說離焦像的敏感度被降低,所以對于一定量的數(shù)據(jù),統(tǒng)計精度得到了改善,并且與處理由普通顯微術(shù)方法獲得的數(shù)據(jù)相比,所需的處理操作被大為簡化。
在一種稱之為“串聯(lián)掃描光學(xué)顯微鏡(TSOM)”的系統(tǒng)中,在一個尼普科(Nipkow)圓盤上蝕刻了照明和探測器針孔的一個螺旋形圖形,當(dāng)該圓盤旋轉(zhuǎn)時,整個靜止的物體將被二維掃描,請參見M.Pe’tran(杯特蘭)和Hadravsky(哈德拉夫斯基)的論文“Tandem-ScanningReflected-Light Microscope(串聯(lián)掃描反射光顯微鏡)”,J.Opt.Soc.A.58(5)661-664(1968);和G.Q.Xiao(肖)、T.R.Corle(考爾)和G.S.Kino(基諾)的論文“Real-Time Confocal Scanning OpticalMicroscope(實時共焦掃描光學(xué)顯微鏡)”,Appl.Phys.Lett.53,716-718(1988)。從光學(xué)處理的角度看,TSOM基本上是一個單點共焦顯微鏡,其中帶有一個能有效地逐點掃描一個二維截面的裝置。
從下述兩項工作中可以發(fā)現(xiàn)兩種能減少用共焦系統(tǒng)獲取二維圖像所需的掃描量的技術(shù)的例子H.J.Tiziani(梯齊尼)和H.-M.Uhde(烏德)的論文“three-dimensional Analysis by a Microlens-ArrayConfocal Arrangement(用微透鏡陣列共焦布局進(jìn)行三維分析)”,Appl.Opt.33(4),567-572(1994);以及P.J.Kerstens(克爾斯登斯),J.R.Mandeville(曼德維爾)和F.Y.Wu(吳)的專利“Tandem LinearScanning Confocal Imaging Systems With Focal Volumes atDifferent Heights(具有不同高度處的聚焦體積的串聯(lián)線性掃描共焦成像系統(tǒng))”,美國專利No.5,248,876,發(fā)布于1993年9月。上述Tiziani和Uhde論文中的微透鏡共焦布局的離焦像鑒別能力與在一個共焦系統(tǒng)中使用多針孔光源和多元素探測器的情況相同。這種系統(tǒng)可以同時檢測多個點,但其代價是降低鑒別離焦像的能力。微透鏡的密度愈大,系統(tǒng)鑒別離焦像的能力愈差。從而為得到三維圖像所需的計算機(jī)退卷積的復(fù)雜程度和成本將愈大。此外,Tiziani和Uhde上述論文的系統(tǒng)在軸向范圍上受到嚴(yán)重限制。這個范圍不能超過微透鏡的焦距,而在一定的數(shù)值孔徑下該焦距是正比于微透鏡的直徑的。因此,隨著微透鏡密度的增大,所容許的軸向范圍將相應(yīng)地減小。
在上述Kerstens等人的專利的系統(tǒng)中,為了能同時檢測多個點,需在共焦布局中引入多個針孔和多個相匹配的針孔探測器。然而,如上一段所指出的,這一得益的代價是降低對離焦像的鑒別能力,結(jié)果將使后續(xù)計算機(jī)退卷積所需的復(fù)雜程度和成本增大。針孔的密度愈高,系統(tǒng)鑒別離焦像的能力將愈差。最高鑒別能力只能在僅使用一個針孔時才能達(dá)到。
在T.Zapf(柴普夫)和R.W.Wijnaendts-van-Resandt(維納恩茨、凡、雷森特)的論文“Confocal Laser Microscope For SubmicronStructure Measurement(用于亞微米結(jié)構(gòu)測量的共焦激光顯微鏡)”,Microelectronic Engineering 5,573-580(1986);以及J.T.Lindow(林多)、S.D.Bennett(貝內(nèi)特)和I.R.Smith(史密斯)的論文“ScannedLaser Imaging for Integrated Circuit Metrology(用于集成電路測量的激光掃描成像)”,Proc.SPIE,565,81-87(1985)中,建議應(yīng)用共焦顯微鏡來檢驗電子電路。共焦系統(tǒng)所具有的軸向鑒別能力使它們可使用于半導(dǎo)體制造領(lǐng)域。例如,這種系統(tǒng)能改善與高度有關(guān)的特性的檢測,例如,脫層、起泡、以及結(jié)構(gòu)和鍍層的厚度等。不過,用共焦成像系統(tǒng)檢測電子電路也會引起一些問題。例如,單針孔系統(tǒng)需要太長的時間來對物體進(jìn)行兩個方向的掃描。用于使激光束對物體進(jìn)行掃描的光系統(tǒng)太復(fù)雜;而且以往TSOM所采用的旋轉(zhuǎn)盤方法有對準(zhǔn)和維護(hù)問題。
所需不同深度斷面的數(shù)目(從而所需收集的圖像數(shù)據(jù)的量)取決于必需測量的高度范圍以及所希望的高度分辨率和光學(xué)系統(tǒng)性能。對于典型的電子電路檢測,一般需要10至100個不同深度斷面的圖像。此外,為了區(qū)分不同的材料,可能還需要有幾個顏色波段下的數(shù)據(jù)。在共焦成像系統(tǒng)中,對于每一個希望的高度都需要一次獨立的二維掃描。如果希望有多個顏色波段,則對每個高度還需要多次二維掃描。通過移動聚焦點高度,可以從一些相鄰平面得到類似的數(shù)據(jù),從而獲得一組三維強(qiáng)度數(shù)據(jù)。
這樣,沒有一種以往技術(shù)的共焦顯微鏡系統(tǒng)可以被設(shè)計得能實現(xiàn)快速的和/或可靠的三維層析成像,在檢測或成像領(lǐng)域中更是如此。
雖然共焦方法是比較直接和工作較好的,例如被著色的結(jié)構(gòu)有高濃度時的共焦熒光工作,但普通的顯微術(shù)方法仍然有一些實際優(yōu)點。其中最重要的是,后者可以使用由紫外(UV)范圍輻射激發(fā)的染料,它們常常顯得比由可見光激發(fā)的染料更為穩(wěn)定和更為高效。雖然可以用UV激光器作為共焦顯微鏡的光源,或者用“雙光子”技術(shù)由紅外(IR)光激發(fā)UV染料,但這些技術(shù)需要昂貴的成本并存在實際困難。關(guān)于使用UV激光器作為光源請參見二M.Montag(蒙塔格)、J.Kululies(科羅列斯)、R.Jorgens(約更斯)、H.Gundlach(貢德拉赫)、M.F.Trendelduberg(特萊恩德倫堡)、和H.Spring(史潑林)的論文“Working with the Confocal Scanning UV-LaserMicroscopeSpecific DNA Localization at High Sensitivity andMultiple-Parameter Fluorescence(共焦掃描UV激光顯微鏡的使用高靈敏度和多參數(shù)熒光下的特定DNA的定位)”,J.Microsc(Ox ford)163(Pt.2),201-210,1991;K.Kuba(庫巴)、S-Y.Hua(華)和M.Nohmi(諾米)的論文“Spatial and Dynamic Changes in Intracellular Ca2+Measured by Confocal Laser-Scanning Microscopy in BullfrogSympathetic Ganglion Cells(用共焦激光掃描顯微鏡在牛蛙交感神經(jīng)細(xì)胞中測得的細(xì)胞內(nèi)Ca2+離子的空間和動態(tài)變化),”Neurosci,Res,10,245-249,1991;C.Bliton(勃列登)、J,Lechleiter(萊史賴特)、和D.E.Clapham(克萊法姆)的論文“OpticalModifications Enabling Simultaneous Confocal Imaging With DyesExcited by Ultraviolet-and Visible-Wave-length light(能用由紫外和可見波長光激發(fā)的染料實現(xiàn)同時共焦成像的光學(xué)修改)”,J,Microsc.169(Pt.1),15-26,1993。關(guān)于雙光子技術(shù)紅外光激發(fā)請參見前述W.Denk等人的論文。
此外,普通顯微系統(tǒng)中所使用的致冷CCD探測器是并行地采集數(shù)據(jù),而不是像共焦顯微鏡系統(tǒng)中的光電倍增管(PMT)那樣串行地采集數(shù)據(jù)。因此,如果能使CCD更快速地讀出數(shù)據(jù)而不降低其性能,那末盡管計算機(jī)退卷積計算所需的時間意味著在把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成能實際看到的三維圖像這前還可能會有一個額外的時間延遲,普通顯微鏡系統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)記錄速度也仍可明顯高于共焦顯微鏡系統(tǒng)。
當(dāng)在用來并行地記錄二維數(shù)據(jù)陣列的CCD與狹縫或針孔共焦顯微鏡之間作出決時,關(guān)系到統(tǒng)計精度的信噪比也是必需要考慮的。二維CCD像素的阱容量為20萬個電子的量級。與其他諸如PMT或光電壓效應(yīng)器件這類光(電子)發(fā)射探測器所能達(dá)到的統(tǒng)計精度相比,這個量級限制了單次曝光CCD所能達(dá)到的統(tǒng)計精度。結(jié)果,對于那些離焦背景貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于在焦像信號的應(yīng)用情況,如果所有其他方面的考慮都相同的話,則關(guān)于信噪比的考慮將導(dǎo)致這樣的結(jié)論狹縫共焦顯微鏡中的一維并行數(shù)據(jù)記錄將優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡中的二維數(shù)據(jù)記錄;或者,單針孔共焦顯微鏡中的逐點數(shù)據(jù)記錄將優(yōu)于狹縫共焦顯微鏡中的一維并行數(shù)據(jù)記錄。
雖然關(guān)于以信噪比度量的統(tǒng)計精度的考慮將影響系統(tǒng)的選擇,例如狹縫共焦顯微鏡優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡,或單針孔共焦顯微鏡優(yōu)于狹縫共焦顯微鏡,但所選系統(tǒng)中來自離焦像的剩余信號仍可能相近于或大于在焦信號。例如當(dāng)以光學(xué)波長檢測生物樣品深部時因光輻射的散射遠(yuǎn)大于吸收,就會出現(xiàn)上述情況。在這種情形下將會需要長時間的計算機(jī)退卷積,也就是說該時間要長于獲取數(shù)據(jù)所需的時間。應(yīng)該指出,不論對于單針孔共焦顯微鏡還是狹縫共焦顯微鏡,在尋找遠(yuǎn)小于剩余離焦圖像信號的在焦圖像信號時,都會出現(xiàn)上述情況。
雖然使來自CCD探測器的信號精確地數(shù)字化要比來自PMT的信號容易,但PMT是一個能被精確標(biāo)定特性的單一器件而CCD則實際上是一個許多分立探測器的大陣列,而且還存在著與校正標(biāo)志其工作特性的像素間的靈敏度和偏置差異相關(guān)的附加噪聲。其中關(guān)于CCD信號數(shù)字化問題請參見J.B.Pawley(泡利)的論文“Fundamental andPractical Limits in Confocal Light Microscopy(共焦光顯微術(shù)中的基本限制和實際限制)”,Scanning 13,184-198,1991);關(guān)于附加噪聲問題請參見前述Y.Hiraoka等人的論文;J.E.Wampler(汪普勒)、和K.Kutz(庫茨)的論文“Quantitative Fluorescence MicroscopyUsing Photomultiplier Tubes and Imaging Detectors(采用光電倍增管和成像探測器的定量熒光顯微術(shù))”,Methods CellBiol.29,239-267,1989;Z.Jericevic(日里塞維奇)、B.Wiese(維斯)、J.Bryan(勃萊恩)和L.C.Smith(史密斯)的論文“Validation of anImaging SystemSteps to Evaluate and Validate a MicroscopeImaging System for Quantitative Studies(一種成像系統(tǒng)的實現(xiàn)評價和實現(xiàn)用于定量研究的顯微鏡成像系統(tǒng)的步驟)”,Methos CellBiol 30,47-83,1989。
應(yīng)該指出,由于致冷CCD探測器是最適合于那些利用旋轉(zhuǎn)盤上的一些孔來完成掃描功能的共焦顯微鏡的光探測器,所以不應(yīng)該認(rèn)為上述用于三維顯微術(shù)的兩種方法中的兩類光探測器之間的差異是完全的。
另一種稱之為“光學(xué)相干域反射測量術(shù)”(OCDR)的技術(shù)已被用來獲取關(guān)于一個系統(tǒng)的三維性質(zhì)的信息。這個方法在以下論文中有所描述(1)R.C.Young quist(揚(yáng)奎斯特)、S.Carr(卡爾)、和D.E.N.Davies(戴維斯)的“Optical Coherence-Domain ReflectometryA NewOptical Evaluation Technique(光學(xué)相干域反射測量術(shù)一種新的光學(xué)評估技術(shù))”,Opt.Lett.12(3),158-160(1987);(2)K.Takada(塔卡達(dá))、I.Yokohama(約科哈馬)、K、Chida(契達(dá))、和J.Noda(挪達(dá))的“New Measurement System for Fault Location in OpticalWaveguide Devices Based on an Interforometric Technique(用于測量光波導(dǎo)器件錯位的一種基于干涉測量術(shù)的新測量系統(tǒng))”,Appl.Opt.26(9),1603-1606(1987);(3)B.L.Danielson(丹尼爾遜)和C.D.Whittenberg(威吞伯格)的“Guided-Wave Reflectometrywith Micrometer Resolution(具有微米分辨率的導(dǎo)波反射測量術(shù))”,Appl.Opt.26(14),2836-2842(1987)。OCDR方法與相干光學(xué)時域反射測量術(shù)(OTDR)技術(shù)的區(qū)別在于,前者使用一個短相干長度的寬帶連續(xù)波光源來替代后者的脈沖光源。光源發(fā)出的光束進(jìn)入一個干涉儀,該干涉儀的一臂含有一個可動反射鏡,由此反射鏡反射的光形成參考光束,而干涉儀的另一臂則包含了待測光學(xué)系統(tǒng)。來自兩個臂的相干混合反射光中的干涉信號用通常的外差方法探測,產(chǎn)生希望得到的關(guān)于該光系統(tǒng)的信息。
OCDR技術(shù)中后向散射信號的外差探測是用“白光干涉術(shù)”完成的,其中光束被分解到干涉儀的兩個臂中,分別被可調(diào)反射鏡和后向散射地點反射,再被相干地結(jié)合。這個方法利用了這樣一個事實僅當(dāng)兩個臂之間的光程差小于光束的相干長度時才會在重新結(jié)合的光束中出現(xiàn)干涉條紋。上述參考文獻(xiàn)(1)和(3)中所描述的OCDR系統(tǒng)利用了這一原理,并且文獻(xiàn)(3)示出了通過掃描可調(diào)反射鏡和測量重新結(jié)合信號的強(qiáng)度所得到的關(guān)于被測系統(tǒng)內(nèi)光纖縫隙的干涉圖。文獻(xiàn)(1)還描述了一種經(jīng)修改的方法,其中讓參考臂中的反射鏡以可控的頻率和振幅振蕩,以引起參考信號中的多普勒頻移,同時重新結(jié)合的信號則被導(dǎo)入一個濾波電路,以探測拍頻信號。
文獻(xiàn)(2)中說明了該技術(shù)的另一種變體,其中參考臂反射鏡位置固定,而且兩臂之間的光程差可以超過相干長度、然后結(jié)合的信號被導(dǎo)入第二個邁克耳遜干涉儀,其中有兩個反射鏡,一個的位置固定,而另一個則是可移動的。掃描該可移動反射鏡,使得當(dāng)它位于一些對應(yīng)于各個散射地點的分立位置處時,第二干涉儀兩臂間的光程差將會補(bǔ)償前述后向散射信號與參考信號之間的相位延遲。實際上是利用光纖中的一個壓電換能調(diào)制器對來自后向反射地點的信號加上一個確定頻率的振蕩相位變化,從而引導(dǎo)到上述補(bǔ)償?shù)攸c。來自第二邁克耳遜干涉儀的輸出信號被饋送給一個鎖相放大器,后者同時探測壓電換能器調(diào)制和由掃描反射鏡運(yùn)動所引起的多普勒頻移。這一技術(shù)已被用來測量玻璃波導(dǎo)中的不規(guī)則性,分辨率高達(dá)15μm。請參見K.Takaca、N.Takato、J.Noda、和Y.Noguchi的論文“Characterization ofSilica-Based Wave guides with a Interferometric OpticalTime-Domain Reflectometry System Using a 1.3μm-WavelengthSuperluminescent Diode(借助于采用1.3μm波長超發(fā)光二極管的干涉光學(xué)時域反射測量術(shù)系統(tǒng)的硅基波導(dǎo)特性標(biāo)定)”,Opt.Lett.14(13),706-708(1989)。
OCDR的另一種變體是雙光束部分相干干涉儀(PCI),它已被用來測量眼睛中各個底層的厚度,請參見W.Drexler(德萊克斯勒)、C.K.Hitzenberger(希陳伯格)、H.Sattmann(薩特曼)、和A.F.Fercher(費歇爾)的論文“Measurement of the Thickness of Fundus Layersby Partial Coherence Topography(用部分相干層析術(shù)測量眼底層厚度)”,Opt.Eng.34(3),701-710(1995)。在Drexler等人所用的PCI中,一個外部的邁克耳遜干涉儀把一個具有高空間相干性但相干長度十分短(15μm)的光束分解成兩部分參考光束(1)和測量光束(2)。在該干涉儀的出口處,這兩個成份又被合成一個共軸的雙光束。這兩個具有兩倍于干涉儀臂長差的光程差的光束用來照明眼睛并在幾個眼內(nèi)界面處被反射,其中,這些界面是不同折射率媒質(zhì)之間的分界面。因此每個光束成份(1和2)都被這些界面的反射進(jìn)一步分解成一些子成份。被反射的各個子成份在一個光探測器上疊加。如果眼內(nèi)兩個界面之間的光學(xué)距離等于干涉儀臂長差的兩倍,則有兩個成份將經(jīng)歷了相同的總光程長度,結(jié)果發(fā)生干涉。每當(dāng)觀察到干涉圖案時,所對應(yīng)的干涉儀臂長差的值將等于一個眼內(nèi)光學(xué)長度。如果附近沒有強(qiáng)的反射,則這些界面的絕對位置能在眼的自然狀態(tài)下以5μm的精度確定??墒?,PCI因物體在三維掃描所需時間內(nèi)的運(yùn)動而受到限制。
OCDR的另一種變體叫做光學(xué)相干層析術(shù)(OCT),它已被報導(dǎo)用于現(xiàn)場網(wǎng)膜成像,請參見E.A.Swanson(史汪遜)、J.A.Izatt(依扎F)、M.R.Hee(希)、D.Huang(黃)、C.P.Lin(林)、J.S.Schuman(舒曼)、C.A.Puliafito(普里阿費托)、和J.G.Fujimoto(富士莫托)的論文“In Vivo Retinal Imaging by Optical Coherence Tomography(利用光學(xué)相干層析術(shù)的自然狀態(tài)網(wǎng)膜成像)”,Opt.Lett.18(21),1864-1866(1993)和E.A.Swanson、D.Huang、J.G.Fujimoto、C.A.Puliafito、C.P.Lin、和J.S.Schuman的美國專利“Method andApparatus for Optical Imaging with Means for Controlling theLongitudinal Range of the Sample(利用控制樣品縱向范圍的裝置的光學(xué)成像方法和設(shè)備),”美國專利號No.5,321,501,1994年6月14日頒發(fā)。上述所引起的專利描述了用來對一個樣本進(jìn)行光學(xué)成像的一種方法和設(shè)備,其中,在樣品中的縱向掃描或定位是通過改變導(dǎo)向樣品和導(dǎo)向一個參考反射鏡的相對光程長度,或者通過改變設(shè)備光源的輸出的光學(xué)特性來實現(xiàn)的。對樣品的一維或二維橫向掃描是這樣實現(xiàn)的。提供樣品與一個探測模塊之間在橫向方向上的受控相對運(yùn)動,和/或把探測模塊內(nèi)的光輻射導(dǎo)向一個所選的橫向位置。所報告的高靈敏度時的空間分辨率<20μm(動態(tài)范圍100dB)。不過,該OTC因物體在三維掃描所需的時間內(nèi)的運(yùn)動而受到限制。
當(dāng)需要非接觸測量方法時,光學(xué)干涉輪廓儀被廣泛用來測量物體表面的三維輪廓。典型地,這些輪廓儀采用移相干涉測量(PSI)技術(shù),并且速度快、精度高和重復(fù)性好,但它要求被測表面相對于光源平衡波長來說是光滑的。由于干涉的循環(huán)性質(zhì),使用單波長測量將不能唯一地求得大于四分之一波長(典型地約為150nm)的表面不連續(xù)性。多波長測量可以擴(kuò)大這一范圍,但對波長精度和環(huán)境穩(wěn)定性的要求將是嚴(yán)格的,見美國專利No.4,340,3061982年7月20授予N.Balasubramanian(巴拉蘇巴拉曼尼恩),標(biāo)題為“Optical System forSurface Topography Measurement(用于表面形狀測量的光學(xué)系統(tǒng))”。
基于掃描白光干涉儀(SWLI)的輪廓儀在測量粗糙或不連續(xù)表面方面克服了普通PSI輪廓儀的限制性。許多文獻(xiàn)詳細(xì)地說明了這個技術(shù),例如見L.Deck(德克)和P.de Groot(德格魯特)在Appl.Opt.33(31),7334-7338(1994)上發(fā)表的論文中的參考文獻(xiàn)2-7。這些輪廓儀典型地是一邊軸向地移動一個被寬帶光源照明的等光程干涉儀的一臂,一邊記錄某一對比參考特征(即峰值對比或峰坑點)的位置。這種技術(shù)的一個共同問題是,為了實時地計算每一點的對比需要大量的計算。由于分立的采樣間隔,僅僅計算對比往往是不夠精確的,這使得不是必需增加采樣密度就是必需采用插值技術(shù),總之將進(jìn)一步減慢獲取過程。相干探測顯微鏡(CPM)是這類輪廓儀的一個例子,請參見于1989年4月4日授予M.Davidson(戴維遜)的美國專利No.4,818,110,標(biāo)題為“Method and Apparatus of Using a Two BeamInterference Microscope for Inspection of Integrated Circuitsand the Like(利用雙光束干涉顯微鏡檢測集成電路等的方法和設(shè)備)”;M.Davidson、K.Kaufman(考夫曼)、I.Mazor(馬佐)和F.Cohen(科恩)的論文“An Application of Interference Microscope toIntegrated Circuit Inspection and Metralogy(干涉顯微鏡應(yīng)用于集成電路檢驗和測量)”,Proc SPIE,775,233-247(1987);以及1992年5月12日授予M.Davidson、K.Kaufman和I.Mazor的美國專利No.5,112,129,標(biāo)題“Method of Image Enhancement for the CoherenceProbe Microscope with Applications to Integrated CircuitMetrology(相干探測顯微鏡應(yīng)用于集成電路測量時的圖像增強(qiáng)方法)”。一般地說輪廓儀,以及特殊地說CPM,它們都不能對三維物體工作;帶有普通干涉顯微鏡所典型具有的背景;對振動敏感;以及需要大量的計算機(jī)分析。
白光干涉測量術(shù)(WLI)所遇到的問題之一是相位不確定性問題。針對相位不確定性問題的一種已受到人們注意的輪廓測量方法是J.Schwider(史維德爾)和L.Zhou(周)在一篇標(biāo)題為“DispersiveInterferometric Profilemeter(色散干涉輪廓儀)”(Opt.Lett.19(13),995-997,1994)的論文中所提出的色散干涉輪廓儀(DIP)方法。關(guān)于WLI的一種類似方法也還被U.Schuell(史奈耳)、E.Zimmermann(齊末曼)和R.Dandliker(但德里克)在標(biāo)題為“AbsoluteDistance Measurement with Synchronously Sampled White-LightChannelled Spectrum Inter-ferometry(利用同步采樣白光溝通光譜干涉測量術(shù)的絕對距離測量)”(Pure Appl.Opt.4,643-651,1995)的論文中作過報導(dǎo)。
一般而言,相位不確定性問題完全可以通過使用DIP來避免。在DIP設(shè)備中,一個來自白光光源的平行光束垂直地入射到一個位于消色差顯微物鏡前方的菲索(Fizeau)干涉儀的真實光楔板上。菲索干涉儀由該參考平板的內(nèi)表面和物體表面形成。然后光被反射回到一個光柵光譜儀的狹縫上,光柵光譜儀將使當(dāng)時尚看不見的干涉條紋圖集發(fā)生色散,并把光譜投射到一個線陣探測器上。在該探測器上將呈現(xiàn)出由光譜儀狹縫所選出的表面上每個點的菲索干涉儀空氣隙的色散光譜。可以利用博里葉變換和濾波方法來評估條紋圖案,以從楔形干涉圖的強(qiáng)度分布得到相位信息。
雖然使用了DIP可以避免相位不確定性問題,但DIP并不適合于那些需要檢測三維物體的應(yīng)用。這是因為在DIP中必然存在由離焦像所產(chǎn)生的較大的背景。這一背景問題與試圖利用標(biāo)準(zhǔn)干涉顯微鏡產(chǎn)生三維圖像時所面臨的背景問題是相當(dāng)?shù)摹?br> 在D.K.Hamilton(哈密爾頓)和C.J.R.Sheppard(雪派德)的論文“A Confocal Interference Microscope(一種共焦干涉顯微鏡)”(Optic Acta 29(12),1573-1577,1982)中,描述了共焦顯微鏡的一種干涉型形式,其中減少了干涉顯微鏡中所遇到的上述背景問題。該系統(tǒng)的基礎(chǔ)是共焦顯微鏡,其中的物體被相對于一個聚焦激光斑掃描,而該激光斑的位置與一個點探測器的后向投射像相重合。該反射型共焦顯策鏡的干涉形式是一種改型的邁克耳遜干涉儀,其中的一個光束被聚焦在物體上。該系統(tǒng)的一個重要特性是能減少共焦干涉顯微系統(tǒng)所固有的離焦像背景。上述Hamilton和Sheppard論文中的共焦干涉顯微鏡一次只測量三維物體中的一個點的反射信號,使得系統(tǒng)敏感于樣品在獲取所需三維數(shù)據(jù)的掃描期間內(nèi)的運(yùn)動。
前述Hill等人的待審批專利申請很適合于減小由離焦像在物體和/或探測器上產(chǎn)生的背景所導(dǎo)致的層析成像中的系統(tǒng)誤差。這一技術(shù)在并行數(shù)據(jù)獲取方案中也是有效的。前述Hill等人的待審批專利申請中的技術(shù)利用了在焦像與離焦像的橫向空間特性差別來把兩者區(qū)分開來。然而,上述Hill等人的技術(shù)不能用來減小由包括了離焦像的背景所導(dǎo)入的統(tǒng)計誤差。上述Hill等人的待審批專利申請中所列出的各個實施例也全都是被設(shè)計得用于共焦顯微鏡結(jié)構(gòu)的,其中所記錄的是所需圖像的振幅大小的平方,而不是復(fù)振幅自身。
所需要的是,一個系統(tǒng)應(yīng)能結(jié)合以下各項特性圖像數(shù)據(jù)對離焦像的敏感度被減小到小于以往技術(shù)共焦和共焦干涉顯微系統(tǒng)所固有的敏感度,圖像數(shù)據(jù)對離焦像的敏感度的減小將導(dǎo)致系統(tǒng)誤差和統(tǒng)計誤差的減小;與減小的離焦像敏感度相關(guān)連的對計算機(jī)退卷積的要求的降低;可能達(dá)到共焦干涉顯微系統(tǒng)所固有的高信噪比;以及,可能測量散射和/或反射光束或聲束的復(fù)振幅。
本發(fā)明的概述因此,本發(fā)明的目的是提供快速、可靠的一、二、三維層析復(fù)振幅成像。
本發(fā)明的一個目的是要提供這樣一種層析復(fù)振幅成像技術(shù),它能減小或消除由于離焦像點的光所造成的統(tǒng)計誤差和系統(tǒng)誤差。
本發(fā)明的另一個目的是要提供一種改進(jìn)的層析復(fù)振幅成像技術(shù),它能避免前述以往技術(shù)的各種缺點;本發(fā)明的另一個目的是要提供一種改進(jìn)的層析復(fù)振幅成像技術(shù),其中離焦光圖像的系統(tǒng)性影響已被大為減小或消除。
本發(fā)明的另一個目的是要提供一種層析復(fù)振幅成像技術(shù),它允許對物體中的多個點同時成像。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種方便的一維、二維、三維層析復(fù)振幅成像技術(shù),其中帶有能使得到的圖像信噪比等于一個干涉測量系統(tǒng)能達(dá)到的信噪比的裝置。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種層析復(fù)振幅成像系統(tǒng)和技術(shù),它能避免求解非線性微分方程的計算困難。
簡短地說,根據(jù)本發(fā)明的一個實施例,提供了一種通過把來自一個寬帶空間非相干點光源的光輻射聚焦到一個光源針孔上把在焦像的復(fù)振幅從離焦像的復(fù)振幅中鑒別出來的方法和設(shè)備。從光源針孔射出的光線被準(zhǔn)直和導(dǎo)向一個第一移相器。準(zhǔn)直光線的一個第一部分的相位被移相器移動,從而產(chǎn)生一個相移光線的第一量;而準(zhǔn)直光線的一個第二部分的相位被移相器移動從而產(chǎn)生一個相移光線的第二量。相移光線的第一量和第二量被聚焦到一個第一斑上。
從第一斑射出的相移光線的第一量光線被準(zhǔn)直和導(dǎo)引到一個分束器上。準(zhǔn)直光線的一個第一部分透過分束器而形成一個探測光束的第一量,準(zhǔn)直光線的一個第二部分被光束器反射而形成一個參考光束的第一量。從第一斑射出的相移光線的第二量的光線被準(zhǔn)直和導(dǎo)向分束器。準(zhǔn)直光線的一個第一部分透過分束器而形成探測光束的第二量,準(zhǔn)直光線的一個第二部分被分束器反射而形成參考光束的第二量。
探測光束的第一量和第二量的光線被導(dǎo)向一個第二移相器。探測光束的第一量的光線被移相而形成探測光束的第三量,探測光束的第二量的光線被移相而形成探測光束的第四量,由上述第一和第二移相器對探測光束的第三和第四量所造成的凈相移量是相同的。探測光束的第三和第四量被一個探測透鏡聚焦到物體材料內(nèi)的一個斑上,由此來照明物體材料。
參考光束的第一和第二量的光線被導(dǎo)向一個第三移相器。參考光束的第一量的光線被移相而形成參考光束的一個第三量,參考光束的第二量的光線被移相而形成參考光束的一個第四量,由第一和第三移相器對參考光束的第三和第四量所造成的純相移量是相同的。參考光束的第三和第四量被一個參考透鏡聚焦在一個參考反射鏡上的一個斑上。
從被照明物體沿探測透鏡的方向射出的探測光束的反射和/或散射光線形成一個散射探測光束,它被探測透鏡準(zhǔn)直,并被導(dǎo)向第二移相器。該準(zhǔn)直光線的一個第一部分的相位被移動而產(chǎn)生相移光線的一個第一散射探測光束量,該準(zhǔn)直光線的一個第二部分的相位被移動而產(chǎn)生相移光線的一個第二散射探測光束量。第一和第二散射探測光束量的光線被導(dǎo)向分束器。第一和第二散射探測光束量的一部分被分束器反射而分別形成散射探測光束的第三和第四量。散射探測光束的第三和第四量的準(zhǔn)直光線被一個探測器透鏡聚焦在一個探測器針孔的平面上。
從參考反射鏡上的斑沿參考透鏡的方向射出的反射光線形成一個反射參考光束,它被參考透鏡準(zhǔn)直和導(dǎo)向第三移相器。該準(zhǔn)直光線的一個第一部分的相位被移動而產(chǎn)生相移光線的一個第一反射參考光束量,該準(zhǔn)直光線的一個第二部分的相位被移動而產(chǎn)生相移光線的一個第二反射參考光束量。第一和第二反射參考光束量的光線被導(dǎo)向分束器。第一和第二反射參考光束量的一部分透過分束器而分別形成反射參考光束的第三和第四量。反射參考光束的第三和第四量的準(zhǔn)直光線被探測透鏡聚焦在探測器針孔的平面上。
透過探測器針孔的散射探測光束的第三和第四量與反射參考光束的第三和第四量的疊加強(qiáng)度被一個單像素探測器測量,作為第一測量強(qiáng)度值。反射參考光束的第三和第四量的相位被一個第四移相器移動π弧度,分別形成反射參考光束的第五和第六量。通過探測器針孔的散射探測光束的第三和第四量與反射參考光束的第五和第六量的疊加強(qiáng)度被單像探測器測量,作為第二測量強(qiáng)度值。
反射參考光束的第三和第四量的相位被第四移相器再移動一π/2弧度,分別形成反射參考光束的第七和第八量。透過探測器針孔的散射探測光束的第三和第四量與反射參考光束的第七和第八量的疊加強(qiáng)度被單像素探測器測量,作為第三測量強(qiáng)度值。反射參考光束的第三和第四量的相位被第四移相器再移動π弧度,分別形成反射參考光束的第九和第十量。透過探測器針孔的散射探測光束的第三和第四量與反射參考光束的第九和第十量的疊加強(qiáng)度被單像素探測器測量,作為第四測量強(qiáng)度值。
在下一步驟中,把第一、第二、第三、第四測量強(qiáng)度值送給一個計算機(jī)進(jìn)行處理。計算機(jī)把第一測量強(qiáng)度值減去第二測量強(qiáng)度值,從而產(chǎn)生聚焦在探測器針孔平面上的散射探測光束復(fù)振幅的一個第一分量值的測量值,其中來自離焦像的光的影響已被抵消。計算機(jī)還把第三測量強(qiáng)度值減去第四測量強(qiáng)度值,從而產(chǎn)生聚焦在探測器針孔平面上的散射探測光束復(fù)振幅的一個第二分量值的測量值,其中來自離焦像的光的影響已被抵消。
散射探測光束振幅的第一和第二分量值是兩個正交分量的值,于是除了一個復(fù)常數(shù)之外,它們給出了聚焦在探測器針孔平面上的散射探測光束的復(fù)振幅的一個精確測量值,其中來自離焦像的光的影響已被抵消。利用計算機(jī)和熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們所知的計算機(jī)算法,從通過對物體材料的一維、二維和三維掃描所分別獲取的一維、二維和三維陣列,將分別得到材料的精確一維、二維和三維表示。對物體材料的掃描是通過使用一個受計算機(jī)控制的移動器在一維、二維和三維方向上系統(tǒng)地移動物體材料來實現(xiàn)的。如果所希望的離焦像校正超出了本發(fā)明設(shè)備能做到的補(bǔ)償,則計算機(jī)算法中可以包含熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們所知的計算機(jī)退卷積算法。
根據(jù)本發(fā)明的第二個實施例,提供了一種通過把來自一個寬帶、空間擴(kuò)展、空間不相干的線光源的光輻射成像到一個光源針孔的線陣上把在焦像的復(fù)振幅從離焦像的復(fù)振幅中鑒別出來的方法和設(shè)備,該設(shè)備包括了前述實施例的設(shè)備和電子處理裝置,只是其中第一實施例的光源針孔已被一個方向垂直于系列光軸的光源針孔線陣列取代,第一實施例的探測器針孔已被一個一維探測器針孔線陣所取代,并且第一實施例的單像素探測器已被一個一維探測器像素線陣所取代,探測器針孔線陣及探測器像素線陣的取向是與光源針孔線陣在探測器上的在焦像相一致的;測得的散射探測光束的兩個正交復(fù)振幅分量除了一個復(fù)常數(shù)之外給出了聚焦在探測器針孔線陣平面上的散射探測光束的復(fù)振幅的精確測量值,其中來自離焦像的光的影響已被抵消。在不需要掃描的情況下,得到了由光源針孔線陣取向所選擇的方向上的物體中的一個線段上的點線陣的精確一維表示。利用熟知本技術(shù)領(lǐng)域的人們所知的計算機(jī)算法,根據(jù)通過使物體在由光源針孔線陣的取向所選擇的方向上掃描一段等于兩個相鄰光源針孔在物體中的兩個像之間的距離的長度所獲得的第一、第二、第三、第四強(qiáng)度值的二維陣列,可得到物體的精確的一維表示。此外,利用熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們所知的計算機(jī)算法,根據(jù)通過使物體在由光源針孔線陣的取向所選擇的方向上掃描一段等于兩個相鄰光源針孔在物體中的兩個像之間的距離的長度,以及使物體在第二維和第二及第三維方向上作類似掃描所分別得到的第一、第二、第三、第四強(qiáng)度的二維和三維陣列,可分別得到物體的精確的二維和三維表示。如果所希望的對離焦像的校正超出了本發(fā)明設(shè)備能做到的補(bǔ)償,則計算機(jī)算法可以包含熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們所知的計算機(jī)退卷積算法。
本發(fā)明上述第一和第二優(yōu)選實施例的一些變體實施例含有改進(jìn)和優(yōu)化信噪比的能力,其中使用了附加的光學(xué)裝置和其后的相同于本發(fā)明的第一和第二優(yōu)選實施例的基礎(chǔ)設(shè)備中所使用的電子處理裝置。附加的光學(xué)裝置包括改變參考光束和探測光束的光路,由此使得第一實施例中被聚焦在探測器針孔上的或第二實施例中被聚焦在探測器針孔線陣上的反射參考光束的振幅能分別相對于被成像在探測器針孔或探測器針孔線陣上的散射探測光束的振幅進(jìn)行調(diào)節(jié)。
根據(jù)本發(fā)明的第三個實施例,提供了帶有改進(jìn)和優(yōu)化信噪比的裝置的用來把在焦像的復(fù)振幅從離焦像的復(fù)振幅鑒別出來的一種方法和設(shè)備,該設(shè)備包括前述第一實施例的設(shè)備以及一個光學(xué)裝置,后者用來相對于被成像在探測器針孔上的散射探測光束的振幅調(diào)節(jié)被聚焦在探測器針孔上的反射參考光束的振幅。來自一個寬帶空間非相干點光源的光線被聚焦在一個光源針孔上。從光源針孔射出的光線被準(zhǔn)直和導(dǎo)向一個第一移相器。準(zhǔn)直光線的一個第一部分的相位被移動而產(chǎn)生相移光線的一個第一量,準(zhǔn)直光線的一個第二部分的相位被移動而產(chǎn)生相移光線的一個第二量。相移光線的第一和第二量入射到一個第一分束器上。相移光線第一量的一個第一部分透過第一分束器,形成探測光束的一個第一量,相移光線第一量的一個第二部分被第一分束器反射,形成參考光束的一個第一量。相移光線第二量的一個第一部分透過第一分束器,形成探測光束的一個第二量,相移光線第二量的一個第二部分被第一分束器反射,形成參考光束的一個第二量。探測光束的第一和第二量被聚焦在一個第一探測光束斑上。參考光束的第一和第二量被聚焦在一個第一參考光束斑上。
從第一探測光束斑射出的探測光束第一量的光線被準(zhǔn)直和導(dǎo)向一個第二分束器。該準(zhǔn)直光線的一個第一部分透過第二分束器,形成探測光束的一個第三量。從第一探測光束斑射出的探測光束第二量的光線被準(zhǔn)直和導(dǎo)向第二分束器。該準(zhǔn)直光線的一個第一部分透過第二分束器,形成探測光束的一個第四量。探測光束第三和第四量的光線被導(dǎo)向一個第二延相器。探測光束第三量的光線透過第二延相器,其相位被移動,形成探測光束的一個第五量。探測光束第四量的光線透過第二延相器,其相位被移動,形成探測光束的一個第六量,第一和第二延相器對探測光束第五和第六量產(chǎn)生的凈相移量是相同的。
從第一參考光束斑射出的參考光束第一量的光線被準(zhǔn)直和導(dǎo)向一個第三延相器,作為參考光束的一個第三量出射。從第一參考光束斑射出的參考光束第二量的光線被準(zhǔn)直和導(dǎo)向第三延相器,作為參考光束的一個第四量出射,第一和第三延相地參考光束第三和第四量產(chǎn)生的凈相移量是相同的。參考光束第三量的一個第一部分被一個第三分束器反射,形成參考光束的一個第五量。參考光束第四量的一個第一部分被第三分束器反射,形成參考光束的一個第六量。
準(zhǔn)直的探測光束第五和第六量被一個探測透鏡聚焦在物體材料中的一個第二探測光束斑上,由此來照明物體材料。準(zhǔn)直的參考光束第五和第六量被一個參考透鏡聚焦在參考反射鏡的一個第二參考光束斑上。
從被照明物體射出的沿探測透鏡方向的探測光束的反射和/或散射光線形成一個散射探測光束。散射探測光束被探測透鏡準(zhǔn)直和導(dǎo)向第二移相器。該準(zhǔn)直光線的一個第一部分的相位被移動,產(chǎn)生相移光線的一個第一散射探測光束量,準(zhǔn)直光線的一個第二部分的相位被移動,產(chǎn)生相移光線的一個第二散射探測光束量。第一和第二散射探測光束量的光線被導(dǎo)向第二分束器。第一和第二散射探測光束量的一部分被第二分束器反射,分別形成散射探測光束的第三量和第四量。散射探測光束第三和第四量的準(zhǔn)直光線被一個探測器透鏡聚焦,在探測器針孔平面內(nèi)形成一個散射探測光束。
從第二參考光束斑射出的沿參考透鏡方面的反射光線形成一個反射參考光束,然后它被準(zhǔn)直和導(dǎo)向到第三分束器上。反射參考光束的一部分透過第三分束器,入射到一個第四移相器上。透過第四移相器的入射光束的一個第一部分的相位被移動,產(chǎn)生相移光線的一個第一反射參考光束量。透過第四移相器的入射光束的一個第二部分的相位被移動,產(chǎn)生相移光線的一個第二反射參考光束量。第一和第二反射參考光束量的光線被導(dǎo)向第二分束器。第一和第二反射參考光束量的一部分透過第二分束器,分別形成反射參考光束的第三和第四量。反射參考光束第三和第四量的準(zhǔn)直光線被探測器透鏡聚焦,在探測器針孔平面中形成一個反射參考光束斑。
透過探測器針孔的散射探測光束第三和第四量與反射參考光束第三和第四量的疊加強(qiáng)度被一個單像素探測器測量,作為第一測量強(qiáng)度值。反射參考光束第三和第四量的相位被一個第五移相器移動π弧度,分別形成反射參考光束的第五和第六量。透過探測器針孔的散射探測光束第三和第四量與反射參考光束第五和第六量的疊加強(qiáng)度被單象素探測器測量,作為第二測量強(qiáng)度值。
反射參考光束第三和第四量的相位被一個第五移相器移動額外的-π/2弧度,形成反射參考光束的第七和第八量。透過探測器針孔的散射探測光束第三和第四量與反射參考光束第七和第八量的疊加強(qiáng)度被單像素探測器測量,作為第三測量強(qiáng)度值。反射參考光束第三和第四量的相位被第五移相器移動額外的π弧度,形成反射參考光束的第九和第十量。透過探測器針孔的散射探測光束第三和第四量與反射參考光束第九和第十量的疊加強(qiáng)度被單像素探測器測量,作為第四測量強(qiáng)度值。
在下一個步驟中,第一、第二、第三、第四測量強(qiáng)度值被送給一個計算機(jī)進(jìn)行處理。計算機(jī)把第一測量強(qiáng)度值減去第二測量強(qiáng)度值產(chǎn)生聚焦在探測器針孔平面上的散射探測光束的復(fù)振幅的一個第一分量值的測量值,其中由離焦像造成的光影響已被抵消。計算機(jī)還把第三測量強(qiáng)度值減去第四測量強(qiáng)度值產(chǎn)生聚焦在探測器針孔平面上的散射探測光束的復(fù)振幅的一個第二分量值的測量值,其中由離焦像造成的光的影響已被抵消。
散射探測光束振幅的第一和第二分量值是兩個正交分量的值,所以給出了除了一個復(fù)常數(shù)以外的聚焦在探測器針孔平面上的散射探測光束的復(fù)振幅的精確測量值,其中由離焦像造成的光的影響已被抵消。利用計算機(jī)和熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們所知的計算機(jī)算法,可以從通過由物體材料的一維、二維和三維掃描分別獲取到的第一、第二、第三、第四強(qiáng)度值的一維、二維和三維陣列分別得到物體材料的精確一維、二維和三維表示。物體材料的掃描是通過利用一個受計算機(jī)控制的移動器使物體材料系統(tǒng)地作一維、二維和三維運(yùn)動來實現(xiàn)的。如果希望的離焦像校正超出了本發(fā)明設(shè)備能做到的補(bǔ)償,則計算機(jī)算法可以包含熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們所知的計算機(jī)退卷積算法。
在第三實施例中,關(guān)于測量所希望復(fù)振幅的信噪比可被優(yōu)化。該優(yōu)化是通過改變第一、第二、第三分束器的反射/透射性質(zhì)而調(diào)節(jié)散射探測光束第三和經(jīng)四量的振幅與反射參考光束第三和第四量的振幅之間的比值來實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的第四個實施例,提供了一帶有能通過把來自一個寬帶、空間擴(kuò)展、空間非相干的光源的光輻射成像到一個光源針孔源線陣上來調(diào)節(jié)或優(yōu)化信噪比的裝置的、用來把在焦像的復(fù)振幅從離焦像的復(fù)振幅鑒別出來的一種方法和設(shè)備,該設(shè)備包括上述第三實施例的設(shè)備和電子處理裝置,只是其中第三實施例的光源針孔已被一個方向垂直于光軸的針孔線陣所取代,第三實施例的探測器針孔已被一個一維探測器針孔線陣所取代,并且第三實施例的單像素探測器已一個一維探測器像素線陣所取代;其中探測器針孔和像素線陣都對齊于聚焦在探測器針孔線陣平面上的光源針孔線陣的像。散射探測光束的兩個正交復(fù)振幅分量的測量值給出了除一個復(fù)常數(shù)之外的聚焦在探測器針孔線陣平面上的散射探測光束的復(fù)振幅的精確測量值,其中由離焦像造成的光的影響已被抵消。在不需要掃描的情況下,可以在由光源針孔線陣的取向所選擇的方向上獲得物體中一個線段上的一個點線陣的精確一維表示。利用熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們所知的計算機(jī)算法,從通過使物體在由光源針孔線陣的取向所選擇的方向上掃描一個等于兩個相鄰光源針孔在物體中的兩個像之間的距離的長度而獲取的第一、第二、第三、第四強(qiáng)度值的二維陣列,獲得物體的一個精確的一維表示。此外,利用計算機(jī)和熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們所知的計算機(jī)算法,從通過使物體在由光源針孔線陣的取向所選擇的方向上掃描一個等于兩個相鄰光源針孔在物體中的兩個像之間的距離的長度再分別加上使物體在一個第二維方向和第二及第三維方向上進(jìn)行類似掃描所分別獲取的第一、第二、第三、第四強(qiáng)度值的二維和三維陣列,可以分別獲得物體的精確二維和三維表示。物體材料的掃描是通過利用一個受計算機(jī)控制的移動器使物體材料系統(tǒng)地作一維和二維運(yùn)動來實現(xiàn)的。如果所希望的離焦像校正超出了本發(fā)明設(shè)備能做到的補(bǔ)償,則計算機(jī)算法可以包含熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們所知的計算機(jī)退卷積算法。
第四實施例中所得到的關(guān)于測量所希望復(fù)振幅的信噪比可以被優(yōu)化。該優(yōu)化是通過改變第一、第二、第三分束器的反射/透射性質(zhì)而調(diào)節(jié)散射探測光束第三和第四量的振幅與反射參考光束第三和第四量的振幅的比值來實現(xiàn)的。
對于第一、第二、第三、第四優(yōu)選實施例的變體,即第五和第六優(yōu)選實施例對于由透過物體材料的名義上與探測光束的傳播方向有相同方向的光所得到的各個像,具有把在焦像的復(fù)振幅從離焦像的復(fù)振幅鑒別出來的能力,這兩個優(yōu)選實施例基本上包括了與前面4個優(yōu)選實施例相同的設(shè)備和電子處理裝置,還包括一些附加的光學(xué)裝置。這些附加的光學(xué)裝置最好包括前述工作于透射模式的干涉儀的結(jié)構(gòu)。
應(yīng)該理解,本發(fā)明的“使能技術(shù)(enabling technology)”適用于任何電磁輻射和例如電子顯微鏡中所用的電子束,甚至適用于能獲得適合的準(zhǔn)直透鏡。成像透鏡、和移相器的聲波。對于那些其中探測的是光束振幅而不是光束強(qiáng)度的應(yīng)用,在探測器后面的電子處理中必需有能產(chǎn)生振幅平方的功能。
雖然一般來說使用空間非相干線光源時系統(tǒng)誤差比較小,但對于第二、第四或第六優(yōu)選實施例情況,要得到較小的系統(tǒng)誤差,線光源也不一定要在其長度方向上是空間非相干的。
光源既可以有窄的譜線,也可以有增寬的譜線。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是所得到的是物體的復(fù)散射振幅,而不是PCI和OCT情況中的散射振幅的大小值。這一點對于為獲得給定類型的物體材料的一維、二維或三維像所需要的計算機(jī)分析工作量來說是特別重要的。
另一個優(yōu)點是,為獲得一維、二維和三維成像中的復(fù)散射振幅所需的計算機(jī)處理要遠(yuǎn)少于目前使用的以往技術(shù)共焦系統(tǒng)所需的。
另一個優(yōu)點是,如果需要校正已在本發(fā)明設(shè)備中大為減弱的離焦像影響,對于達(dá)到同樣的校正水平來說本發(fā)明設(shè)備所需的計算機(jī)處理要遠(yuǎn)少于以往技術(shù)掃描單針孔共焦干涉顯微鏡所需的。
另一個優(yōu)點是,對于給定的測量時間間隔,背景輻射對在物體中一個給定點處測得的復(fù)散射振幅的統(tǒng)計噪聲貢獻(xiàn)可被減小到這樣的程度,即原理上由復(fù)散射振幅自身的大小所決定的統(tǒng)計噪聲程度,特別是對于背景輻射比所希望復(fù)散射振幅大的情況也是如此。這在以往技術(shù)的掃描單針孔共焦顯微系統(tǒng)中是不能達(dá)到的。
與以往技術(shù)共焦干涉顯微系統(tǒng)所得到的圖像中的統(tǒng)計誤差相比,用本發(fā)明設(shè)備得到的圖像中的統(tǒng)計誤差較小。
總之,本發(fā)明的設(shè)備能(1)減小系統(tǒng)誤差,(2)減小統(tǒng)計誤差,(3)減小探測器和處理電子電路的動態(tài)范圍要求,(4)減少為產(chǎn)生一維、二維或三維像所需的計算機(jī)處理,(5)使用窄帶或?qū)拵Ч庠垂ぷ?,?或(6)在透過混濁介質(zhì)時工作。一般,這些特點中的一個或幾個特點能同時實現(xiàn)。
附圖的簡單說明在各附圖中,相似的代號代表相似的元件。


圖1a-1j一起以示意圖形式說明本發(fā)明目前優(yōu)選的第一實施例,其中圖1a示出子系統(tǒng)80與81、81與82、81與83、82與84、以及83與84之間的各個光路,從計算機(jī)118到移動器116和子系統(tǒng)83中移相器44的電子信號路徑,以及從子系統(tǒng)84中的探測器114到計算機(jī)118的電子信號路徑;圖1b說明子系統(tǒng)80;圖1c說明子系統(tǒng)81;圖1d說明探測光束進(jìn)入子系統(tǒng)82的情況;圖1e說明參考光束進(jìn)入子系統(tǒng)83的情況;圖1f說明探測光束離開子系統(tǒng)82的情況;圖1g說明參考光束離開子系統(tǒng)83的情況;圖1h說明探測光束進(jìn)入子系統(tǒng)84的情況;圖1i說明參考光束進(jìn)入子系統(tǒng)84的情況;圖1j說明由子系統(tǒng)82中光的散射和/或反射在子系統(tǒng)84中產(chǎn)生離焦光束的情況;圖2a-2d一起以示意圖形式說明本發(fā)明目前的第二優(yōu)選實施例,其中圖2a示出子系統(tǒng)80a與81、81與82、81與83、82與84a和83與84a之間的光路,從計算機(jī)118到移動器116和子系統(tǒng)83中的移相器44的電子信號路徑,以及從子系統(tǒng)84a中的探測器114a到計算機(jī)118的電子信號路徑;圖2b說明子系統(tǒng)80a;圖2c說明探測光束進(jìn)入子系統(tǒng)84a的情況;圖2d說明參考光束進(jìn)入子系統(tǒng)84a的情況;
圖3a-3j一起以示意圖形式說明本發(fā)明目前的第三優(yōu)選實施例,其中圖3a示出子系統(tǒng)80與81a、80與81b、81a與82、81b與83a、82與84和83a與84之間的光路,從計算機(jī)118到移動器116和子系統(tǒng)83a中的移相器44的電子信號路徑;以及從子系統(tǒng)84中的探測器114到計算機(jī)118的電子信號路徑;圖3b說明子系統(tǒng)80;圖3c說明子系統(tǒng)81a;圖3d說明探測光束進(jìn)入子系統(tǒng)82的情況;圖3e說明子系統(tǒng)81b;圖3f說明參考探測光束進(jìn)入子系統(tǒng)83a的情況;圖3g說明探測光束離開子系統(tǒng)82的情況;圖3h說明參考光束離開子系統(tǒng)83a的情況;圖3i說明探測光束進(jìn)入子系統(tǒng)84的情況;圖3j說明參考光束進(jìn)入子系統(tǒng)84的情況;圖4a-4d一起以示意圖形式說明本發(fā)明目前的第四優(yōu)選實施例,其中圖4a示出子系統(tǒng)80a與81a、80a與81b、81a與82、81b與83a、82與84a和83a與84a之間的光路,從計算機(jī)118到移動器116和子系統(tǒng)83a中的移相器44的電子信號路徑,以及從子系統(tǒng)84中的探測器114a到計算機(jī)118的電子信號路徑;圖4b說明子系統(tǒng)80a;圖4c說明探測光束進(jìn)入子系統(tǒng)84a的情況;圖4d說明參考光束進(jìn)入子系統(tǒng)84a的情況;圖5a-5f一起以示意圖形式說明本發(fā)明目前的第三優(yōu)選實施例,其中圖5a示出子系統(tǒng)80b與82a、80b與81b、82a與85、和81b與85之間的光路,從計算機(jī)118到移動器116和子系統(tǒng)85中的移相器44的電子信號路徑,以及從子系統(tǒng)85中的探測器114到計算機(jī)118的電子信號路徑;圖5b說明子系統(tǒng)80b;圖5c說明子系統(tǒng)82a;圖5d說明子系統(tǒng)81b;圖5e說明探測光束進(jìn)入子系統(tǒng)85的情況;圖5f說明參考探測光束進(jìn)入子系統(tǒng)85的情況;圖6a-6d一起以示意圖形式說明本發(fā)明目前的第三優(yōu)選實施例,其中圖6a示出子系統(tǒng)80c與82a、80c與81b、82a與85a、和81b與85a之間的光路,從計算機(jī)118到移動器116和子系統(tǒng)85中的移相器44的電子信號路徑,以及從子系統(tǒng)85中的探測器114a到計算機(jī)118的電子信號路徑;圖6b說明子系統(tǒng)80c;圖6c說明探測光束進(jìn)入子系統(tǒng)85a的情況;圖6d說明參考光束進(jìn)入子系統(tǒng)85a的情況;圖7示出一個具有三個成像部分的反射共焦顯微鏡的幾何布局;圖8是根據(jù)本發(fā)明第六優(yōu)選實施例的在一個二單元移相系統(tǒng)(m=1)的單像素探測器114處的在焦像平面47中的反射參考光束振幅UR(V3)與y3=0、z3=0和vI=0時的(x3kd0/f)的函數(shù)關(guān)系曲線圖;圖9是根據(jù)本發(fā)明第六優(yōu)選實施例的在一個四單元移相系統(tǒng)(m=2)的探測器針孔平面47處的各個光束B52D-1、-2、-3、-4(見圖1j)的背景振幅大小的平方與y3=0、z3=50λ(f/d0)2時的(x3d0/λf)的函數(shù)關(guān)系曲線圖。
本發(fā)明的詳細(xì)說明本發(fā)明能夠把由三維像空間或區(qū)域中的一個體元素所反射和/或散射的光的復(fù)振幅與由位于被測體元素前方、后方及邊上的結(jié)構(gòu)的重疊離焦像所產(chǎn)生的背景光的復(fù)振幅分離開來。所說明的層析技術(shù)能把一個像平面中的希望復(fù)振幅信號與由各種機(jī)制所產(chǎn)生的“背景”和“前景”復(fù)振幅信號分離開來。這些背景和前景復(fù)振幅信號可以是(1)物體材料中不是被成像的各個截面的離焦像,(2)希望振幅信號的散射信號,(3)源自非成像截面的信號的散射信號,和/或(4)熱輻射。散射地點和熱輻射源可能位在物體被測截面的前方、后方和/或其中的空間內(nèi)。
本發(fā)明的技術(shù)以兩種不同的對離焦像的鑒別級別中的一種級別來實現(xiàn)。在第一個級別(級別1)中,各個成像子系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)通過在本發(fā)明設(shè)備的各個子系統(tǒng)的光瞳上分別導(dǎo)入一維的相位變化圖案而在一個平面內(nèi)受到控制。在第二個級別(級別2)中,各個成像子部分的脈沖響應(yīng)函數(shù)通過在各個子系統(tǒng)的光瞳上分別導(dǎo)入二維的相位變化圖案而在兩個正交的平面內(nèi)受到控制。級別2的實現(xiàn)比級別1的實現(xiàn)在把離焦像從在焦像鑒別出來的方面更為有效。然而,當(dāng)在本發(fā)明的第二、第四、或第六實施例中采用級別1的鑒別時,光源針孔線陣可以被做成為一個狹縫,然而當(dāng)在本發(fā)明的第二、第四或第六實施例中采用級別2的鑒別時,根據(jù)后面將給出的等式(38),各個光源針孔之間的間距必須大于某一個最小值。這里所說明的任何一個優(yōu)選實施例都可以實現(xiàn)級別1和級別2的鑒別。
本發(fā)明的使能技術(shù),對于不論是被構(gòu)形成級別1還是級別2鑒別的本發(fā)明設(shè)備的每個優(yōu)選實施例來說,都是共同的,但這里僅對級別1鑒別的各個優(yōu)選實施例說明本發(fā)明的使能技術(shù)。
將首先說明各個實施例的物理實體和它們的工作,然后給出所依據(jù)的理論。
參考各附圖的詳細(xì)內(nèi)容,圖1a-1j以示意圖形式示出本發(fā)明目前的第一優(yōu)選實施例。
如圖1a-1j所示,本發(fā)明的該優(yōu)選實施例是一個干涉儀,其中包括一個分束器100、承載在一個xyz移動器116上的物體材料112、一個參考反射鏡120和一個探測器114。在本技術(shù)領(lǐng)域中該結(jié)構(gòu)叫做邁克耳遜干涉儀,這里示出的是一個簡單的例子。本技術(shù)領(lǐng)域中已知的這種干涉儀的其他形式例如有偏振邁克耳遜干涉儀,在C.Zanoni(扎諾尼)的論文“Differential Interferometer Arrangements forDistance and Angle MeasurementsPrinciples,Advantages,andApplications(用于距離和角度測量的差分干涉儀布局原理、優(yōu)點和應(yīng)用)”(VDI Berichte NR/749,93-106,1989)中有所說明,可以把它使用在圖1a-1j的設(shè)備中而不會明顯偏離本發(fā)明第一優(yōu)選實施例的精神和范疇。
圖1b以示意圖形式示出圖1a所示的子系統(tǒng)80的一個實施例。對于第一優(yōu)選實施例而言,光源10最好是一個點光源或一個其表面各處的輻射是空間非相干的光源,最好是一個激光器或類似的相干光源,或部分相干輻射光源,而且最好是偏振的。光源10發(fā)出與子系統(tǒng)80的光軸3相對準(zhǔn)的輸入光束2。如圖1b所示,輸入光束2進(jìn)入聚焦透鏡6并被聚焦在像平面7中的針孔8上。由多個光束12-1、-2、-3、-4所組成的光束12從針孔8發(fā)散出來,進(jìn)入一個其光軸對準(zhǔn)于子系統(tǒng)80的光軸3的透鏡1b。光束12從透鏡16射出時成為準(zhǔn)直光束12A,后者由光束12A-1、-2、-3、-4組成,準(zhǔn)直光束12A進(jìn)入移相器14。移相器14包括一些矩形移相器14-1、-2、-3、-4,它們各自的光軸都平行于子系統(tǒng)80的光軸3。應(yīng)該指出,這些移相器的數(shù)目可以是任何合適的數(shù)2m,其中m是一個整數(shù)。圖1b中所例子是m=2的情況,4個移相器的情況已足以清楚地說明本發(fā)明設(shè)備各個部件之間的關(guān)系。平行光束12A-1、-2、-3、-4分別透過移相器14-1、-2、-3、-4,出射時分別變成光束12B-1、-2、-3、-4,總的構(gòu)成光束12B。移相器14-2和14-4,所導(dǎo)入的相移量分別比移相器14-1和14-1所導(dǎo)入的多π弧度,而移相器14-1與14-3所導(dǎo)入的相移量是相同的。
在圖1a中,光束12B從子系統(tǒng)80射出而進(jìn)入子系統(tǒng)81。在圖1C中光束12B進(jìn)入透鏡26,出射時變成由光束12C-1、-2、-3、-4所組成的光束12C。透鏡26使光束12C聚焦成在焦像平面17中的點像18。光束12C從點像18射出時變成由光束22-1、-2、-3、-4所組成的光束22。光束22進(jìn)入一個其光軸對準(zhǔn)于子系統(tǒng)81的光軸3的透鏡36。光束22從透鏡26射出并離開子系統(tǒng)81時變成由光束22A-1、-2、-3、-4所組成的光束22A。
如圖1a所示,光束22A部分地透過分束器100,變成由光束P22B-1、-2、-3、-4所組成的光束P22B,并進(jìn)入圖1d中所示的子系統(tǒng)82。
在圖1d中,光束P22B入射到-個由移相器24-1、-2、-3、-4所組成的移相器24上。移相器24與14含有相同數(shù)目的2m個單元,圖1d中示出的是m=2的情況。光束P22B-1、-2、-3、-4分別透過移相器24-1、-2、-3、-4,出射后分別變成光束P22C-1、-2、-3、-4,它們組成了光束P22C。移相器24-1與24-3所導(dǎo)入的相移量相同,分別比移相器24-2和24-4所導(dǎo)入的多π弧度,而移相器24-2和24-4所導(dǎo)入的相移量是相同的。
由每一對移相器14-1與24-1、14-2與24-2、14-3與24-3、14-4與24-4所產(chǎn)生的相移量之和都是π弧度。所以光束P22C-1、-2、-3、-4中的任意兩個光束之間都不存在凈相對相移。光束P22C透過透鏡46,變成由光束P22D-1、-2、-3、-4所組成的光束P22D,后者被聚焦成物體材料112中的在焦像平面27內(nèi)的點像28。透鏡46的光軸是對準(zhǔn)于子系統(tǒng)82的光軸3的。
在圖1a中,光束22A部分地被分束器100反射,變成由光束R22B-1、-2、-3、-4所組成的光束R22B。光束R22B進(jìn)入示于圖1e的子系統(tǒng)83。如圖1e所示。光束R22B入射在-個由移相器34-1、-2、-3、-4所組成的移相器34上。移相器34與14含有相同數(shù)目2m的單元,圖1e中示出了m=2的情況。光束R22B透過移相器34,然后又透過移相器44,出射后變成由光束R22C-1、-2、-3、-4所組成的光束R22C。由移相器44所導(dǎo)入的相移量受來自計算機(jī)118的信號132控制。移相器34-1與34-3所導(dǎo)入的相移量相同,比移相器34-2或34-4所導(dǎo)入的多π弧度,而移相器34-2與34-4所導(dǎo)入的移相量是相同的。所以在光束R22C-1、-2、-3、-4中的任何兩個光束之間沒有凈相對相移。光束R22C透過透鏡56后變成由光束R22D-1、-2、-3、-4所組成的光束R22D。光束R22D被透鏡56聚焦成參考反射鏡120上的在焦像平面37中的點像38。透鏡56的光軸是對準(zhǔn)于子系統(tǒng)83的光軸3a的。
在圖1f中,光束P22D(見圖1d)的一部分被點像28處的物體材料反射和/或散射,變成組成了光束P32的多個光束P32-1、-2、-3、-4。光束P32從在焦像平面27中的點像28發(fā)散,進(jìn)入透鏡46。如圖1f所示,光束P32從透鏡46射出時變成由光束P32A-1、-2、-3、-4所組成的準(zhǔn)直光束P32A。光束P32A-1、-2、-3、-4分別透過移相器24-4、-3、-2、-1,出射時分別變成光束P32B-1、-2、-3、-4。光束P32B-1、-2、-3、-4組成了光束P32B,從子系統(tǒng)82射出。由移相器24-1與24-3所導(dǎo)入的相移量相同,比移相器24-2或24-4所導(dǎo)入的多π弧度,而移相器24-2與24-4所導(dǎo)入的相移量是相同的。
在圖1g中,光束R22D(見圖1e)被參考反射鏡120反射,變成由光束R32-1、-2、-3、-4所組成的光束R32。光束R32自在焦像平面37中的點像38發(fā)散,進(jìn)入透鏡56。如圖1g所示,光束R32從透鏡56射出時變成由光束R32A-1、-2、-3、-4所組成的準(zhǔn)直光束R32A。光束R32A-1、-2、-3、-4首先透過移相器44,再分別透過移相器34-4、-3、-2、-1,出射后分別變成光束R32B-1、-2、-3、-4。由移相器44所導(dǎo)入的相移量受來自計算機(jī)118的信號132控制。由移相器34-1與34-2所導(dǎo)入的相移量是相同的,比由移相器34-2或34-4所導(dǎo)入的多π弧度,而移相器34-2與34-4所導(dǎo)入的相移量是相同的。光束R32B-1、-2、-3、-4組成了從子系統(tǒng)83射出的光束R32B。
圖1a中示出光束P32B被分束器100部分地反射,變成由光束P32C-1、-2、-3、-4所組成的光束P32C。光束P32C進(jìn)入圖1h中所示的子系統(tǒng)84,透過透鏡66變成由光束P32D-1、-2、-3、-4所組成的光束P32D。光束P32D透鏡66聚焦成單像素探測器114上的在焦像平面47中的點像48。透鏡66的光軸是對準(zhǔn)于子系統(tǒng)84的光軸3b的。
圖1a示出光束R32B被分束器100部分地透過,變成由光束R32C-1、-2、-3、-4所組成的光束R32C。光束R32C進(jìn)入如圖1I所示的子系統(tǒng)84。在圖1I中,光束R32透過透鏡66變成由光束R32D-1、-2、-3、-4所組成的光束R32D。光束R32D被透鏡66聚焦成單像素探測器114上的在焦像平面47中的點像48。在圖1j中,光束P22(見圖1a和1d)47中的點像48。在圖1j中,光束P22(見圖1a和1d)的一部分被離焦像平面57內(nèi)的一個“離焦”點像58處的物體材料反射和/或散射,變成由光束B52-1、-2、-3、-4所組成的光束B52。光束B52從離焦點像58發(fā)散并進(jìn)入透鏡46。如圖1j的示,光束B52從透鏡46出射時變成由光束B52A-1、-2、-3、-4所組成的基本上準(zhǔn)直的光束B52A。光束B52A-1、-2、-3、-4分別透過移相器24-4、-3、-2、-1,出射時分別成為光束B52B-1、-2、-3、-4。光束B52B-1、-2、-3、-4組成了光束B52B。由移相器24-1與24-3所導(dǎo)入的相移量是相同的。比移相器24-2或24-4所導(dǎo)入的多π弧度。光束B52B被分束器100部分地反射,變成由光束B52C-1、-2、-3、-4所組成的光束B52C。光束B52C透過透鏡66射出時變成由光束B52D-1、-2、-3、-4所組成的光束B52D。光束B52D被透鏡66聚焦在位于偏離了在焦像平面47的離焦像平面67中的點像68處。
圖1a-1j所示本發(fā)明設(shè)備的工作基于獲取單像素探測器114測得的一組4個強(qiáng)度值。這組4個強(qiáng)度值I1、I2、I3和I4是單像素探測器114在移相器44導(dǎo)入一組不同相移量(參考光束的總相移量,包括沿兩個方向透過移相器44時所產(chǎn)生的相移量)x0、x0+π、x0+π/2和x0+3π/2弧度的情形下分別測得的,其中x0是某一固定的相移量。(當(dāng)然,移相器34和44的作用可以結(jié)合在單個受計算機(jī)118控制的移相器中)4個強(qiáng)度值I1、I2、I3、I4作為信號131以數(shù)字或模擬形式被傳送給計算機(jī)118,進(jìn)行后續(xù)的處理。在探測器114或者在計算機(jī)118中含有普通的轉(zhuǎn)換電路即模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,用來把4個強(qiáng)度值I1、I2、I3、I4轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。移相器44的相移量受信號132控制,該信號是計算機(jī)118根據(jù)后面將給出的等式(25)產(chǎn)生和發(fā)送的。移相器44可以是電光型的或者是后者將說明的用于寬帶光波長操作的類型。然后,計算機(jī)118根據(jù)后面將給出的等式(24a)和(24b)計算出強(qiáng)度差I(lǐng)1-I2和I3-I4,這兩個差中以較高效率所含的內(nèi)容僅為在焦散射探測光束P32D的復(fù)振幅與在焦反射參考光束R32D的復(fù)振幅之間的干涉交叉項。
以較高的效率分離出在焦散射探測光束P32D(見圖1h)的復(fù)振幅與在焦反射參考光束R32D(見圖1I)的復(fù)振幅之間的干涉交叉項的原因來自兩個系統(tǒng)特性。第一個系統(tǒng)特性是,除了一個復(fù)尺度因子之外,在焦散射探測光束P32D和在焦反射參考光束R32D的復(fù)振幅空間分布對于移相器44所導(dǎo)入任何相移量的情況都是基本相同的。第二個系統(tǒng)特性是,當(dāng)移相器44所導(dǎo)入的相移量增加或減小π、3π…弧度時,在焦散射探測光束P32D的復(fù)振幅與在焦反射參考光束R32D的復(fù)振幅之間的干涉交叉項將改變正負(fù)號。由于這第二個系統(tǒng)特性,在強(qiáng)度差I(lǐng)1-I2和I3-I4中這個干涉交叉項不會互相抵消。然而,所有不是干涉交叉項的項,即在焦散射探測光束P32D和在焦反射參考光束R32D的強(qiáng)度,將在強(qiáng)度差I(lǐng)1-I2和I3-I4中抵消。上述的兩個系統(tǒng)特性是共焦干涉顯微鏡的共同特性,因此下面將叫做“共焦干涉系統(tǒng)特性”。
對于在焦點像48處的離焦散射探測光束B52D(見圖1j),則由于共焦干涉系統(tǒng)特性,強(qiáng)度差I(lǐng)1-I2和I3-I4中將只會含有離焦散射探測光束B52D的復(fù)振幅與在焦反射參考光束R32D的復(fù)振幅之間的干涉交叉項。不過,這后一個交叉項的大小將遠(yuǎn)小于以往共焦干涉顯微鏡中的相應(yīng)干涉交叉項大小。
對于在散射探測光束P32D和離焦散射探測光束B52D同時出現(xiàn)的一般情況,強(qiáng)度差I(lǐng)1-I2和I3-I4中將有兩個干涉交叉項,即在焦散射探測光束P32D的復(fù)振幅與在焦反射參考光束R32D的復(fù)振幅之間的干涉交叉項和離焦散射探測光束B52D的復(fù)振幅與在焦反射參考光束R32D的復(fù)振幅之間的干涉交叉項。注意,由于共焦干涉系統(tǒng)特性,離焦散射探測光束B52D的復(fù)振幅與在焦反射參考光束P32D的復(fù)振幅之間的干涉交叉項在強(qiáng)度差I(lǐng)1-I2和I3-I4中是被抵消掉的。
離焦散射探測光束B52D的復(fù)振幅與在焦反射參考光束R32D的復(fù)振幅之間的干涉交叉項代表了來自離焦像的背景。與以往技術(shù)干涉共焦顯微系統(tǒng)相比,本發(fā)明設(shè)備中的離焦散射探測光束B52D的復(fù)振幅與在焦反射參考光束R32D的復(fù)振幅之間的干涉交叉項的大小一般是減小了,而在焦散射探測光束P32D的復(fù)振幅與在焦反射參考光束R32D的復(fù)振幅之間的干涉交叉項的大小卻基本上沒有減小。前一干涉交叉項的減小部分地是因為一個光束的振幅是隨著至像平面的距離的增大而減小的。這個性質(zhì)是以往技術(shù)共焦干涉顯微鏡減小背景的基礎(chǔ)。然而,在本發(fā)明的設(shè)備中,這前一干涉交叉項大小的減小比以往技術(shù)共焦干涉顯微術(shù)的減小有所增強(qiáng)。
上一段中所說的“減小有所增強(qiáng)”是通過提供移相器14、24、和34來實現(xiàn)的。移相器14、24和34改變了在焦像平面47處的在焦散射探測光束P32D、在焦反射參考光束R32D和離焦散射探測光束B52D的復(fù)振幅的空間性質(zhì)。雖然在焦散射探測光束P32D和在焦反射參考光束R32D的復(fù)振幅的空間性質(zhì)都被移相器14、24和34改變了,但它們各自的復(fù)振幅的改變后的空間分布基本上是相同的。這個特性在先前討論強(qiáng)度差I(lǐng)1-I2和I3-I4對在焦散射探測光束P32D的復(fù)振幅與在焦反射參考光束R32D的復(fù)振幅之間的干涉交叉項的敏感性時曾指出過。
然而,離焦散射探測光束B52D的復(fù)振幅和在焦反射參考光束R32D的復(fù)振幅各自改變后的分布在在焦像平面47上是明顯不同的。在焦反射參考光束R32D的復(fù)振幅對于該光束的中心是一個反對稱函數(shù)。反之,離焦散射探測光束B52D中的那個與在焦反射參考光束R32D的復(fù)振幅發(fā)生干涉的部分是主要與圖1j所示光束B52D-1、-2、-3或-4中的一個光束相關(guān)連的復(fù)振幅,這個復(fù)振幅在反射參考光束R32D的在焦像空間范圍內(nèi)只有小的相對變化。于是,離焦散射探測光束B52D的復(fù)振幅與在焦反射參考光束R32D的復(fù)振幅之間的干涉交叉項的空間分布的主要成分是關(guān)于在焦反射參考光束R32D的中心的一個反對稱分布。
這個干涉交叉項對點像48處的單像素探測器114所記錄的強(qiáng)度值的貢獻(xiàn)是它在反射參考光束R32D的在焦像空間范圍內(nèi)的積分。一個反對稱函數(shù)在以該函數(shù)的反對稱軸為中心的一個空間范圍內(nèi)的積分等于零。所以,離焦散射探測光束B52D的復(fù)振幅與在焦反射參考光束R32D的復(fù)振幅之間的干涉交叉項對像點48處的單像素探測器114所記錄的強(qiáng)度值的凈貢獻(xiàn)的減小程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往技術(shù)共焦顯微術(shù)所能達(dá)到的減小強(qiáng)度。
例如,在圖1a-1j的系統(tǒng)中,由離焦散射探測光束B52D的復(fù)振幅與在焦反射參考光束R32D的復(fù)振幅之間的干涉在單像素探測器114中所產(chǎn)生的光電子數(shù)目要遠(yuǎn)小于以往技術(shù)中的。因為積分電荷的統(tǒng)計不確定性,進(jìn)而輸出信號的統(tǒng)計不確定性,是與單像素探測器中所產(chǎn)生的光電子的積分?jǐn)?shù)目的平方根有關(guān),所以在圖1a-1j的設(shè)備中輸出信號的統(tǒng)計誤差被大為減小。
在本第一實施例的詳細(xì)說明中曾指出,在光束P22C-1、-2、-3、-4中的任何兩個光束之間沒有凈相移量。這一特性使得有可能達(dá)到本第一實施例的詳細(xì)說明中所指出的下述目的所產(chǎn)生的針孔8在物體材料112內(nèi)的在焦像平面27中的,和參考反射鏡120上的在焦像平面37中的兩個共軛像,基本上不會因分別存在移相器14和24以及移相器14和34而有所改變,但與物體材料112內(nèi)的像點28和參考反射鏡120上的在焦像平面37中的像點38相共軛的在焦像平面47中的在焦像卻因這些移相器的存在而產(chǎn)生了明顯的變化。
通過考慮如果在第一實施例中除去了移相器14將會造成什么樣的后果,也可以得到關(guān)于移相器14、24、與34之間相互關(guān)系的深入了解。這時,在焦反射參考光束R32D的復(fù)振幅頒將由反對稱函數(shù)變成對稱函數(shù),而離焦散射探測光束B52D的空間性質(zhì)卻基本沒有改變。于是,離焦散射探測光束B52D的復(fù)振幅與在焦反射參考光束R32D的復(fù)振幅之間的干涉交叉項的空間分布將基本是一個相對于在焦反射參考光束R32D的中心的對稱分布。但由于一個對稱涵數(shù)在中心位于函數(shù)對稱軸處的一個空間范圍內(nèi)的積分通常不等于零,所以由像點48處的單像素探測器114所記錄的強(qiáng)度值的減小程度將基本上不會超過以往技術(shù)共焦顯微術(shù)所能達(dá)到的減小程度。
雖然上面的說明僅針對了物體材料112中一個特定部分處的一個特定部分處的一個特定的在焦像點28,但計算機(jī)118可以通過給移動器116以控制信號133使之把物體材料112的其他部分移動到在焦像點28處,從而讓系統(tǒng)實現(xiàn)對物體材料112中的希望線段、平面截面、或體積區(qū)域的“掃描”。
現(xiàn)在參見圖2a-2d,圖2a以示意圖形式示出了本發(fā)明的第二實施例,其中光源子系統(tǒng)80a和探測器子系統(tǒng)84a能有利地構(gòu)形成一種狹縫共焦顯微術(shù)系統(tǒng)。在圖2a-2d中,與前面參考圖1a-1j所說明的元件相類似的元件用類似的代號來表示。圖2b所示子系統(tǒng)80a中的改變發(fā)生在光源10a的區(qū)域中,現(xiàn)在區(qū)域最好含有一個寬帶空間非相干的線光源,最好是一個燈絲或激光二極管陣列;改變還發(fā)生在第一實施例的針孔8的區(qū)域中,現(xiàn)在該區(qū)域最好是一個與透鏡6所形成的線光源10a的像相對齊的光源針孔線陣8a。圖2c和2d所示的子系統(tǒng)84a的改變在于探測器114a的區(qū)域,現(xiàn)在第一實施例像平面47中的針孔最好改變成一個對齊于像平面47中的光源針孔線陣8a的像的探測器針孔線陣,同時第一實施例的單像素探測器114現(xiàn)在最好改變成由一個像素線陣列所組成的探測器線陣114a。在圖2b中,光源針孔線陣8a和光源10a沿垂直于圖2b平面的方向排列;在圖2c和2d中,探測器針孔線陣和探測器像素線陣沿垂直于圖2c和2d的平面排列。
圖2a-2d所示第二實施例的其余部分最好與上述圖1a-1j的第一優(yōu)選實施例的相同,這里不再作說明。
現(xiàn)在參見圖3a-3j,其中示出了本發(fā)明的第三實施例,其中第一優(yōu)選實施例的參考光束和探測光束的光路已被改變,以改進(jìn)和優(yōu)化信噪化。第三實施例的設(shè)備和電子處理裝置基本上與第一優(yōu)選實施例中的相同,只是這里增加了用來對第一實施例的干涉儀重新構(gòu)形的附加光學(xué)裝置,使得參考光束與探測光束的振幅比值可被調(diào)節(jié);在第三優(yōu)選實施例和第一優(yōu)選實施例中,具有類似代號的光學(xué)元件執(zhí)行類似的操作,電子處理裝置執(zhí)行所說明的類似電子操作。參考光束與探測光束的振幅比值是通過改變圖3a中的分束器100、100a和100b的透射/反射系數(shù)來調(diào)節(jié)的。例如,在圖1a-1j中,分別產(chǎn)生了反射參考光束R32D和在焦散射探測光束P32D的兩個原始光束都在分束器100上經(jīng)歷了一次透射和一次反射。所以,圖1a-1j中的參考光束R32D與探測光束P32D的振幅比值不能通過改變分束器100的透射/反射系數(shù)來調(diào)節(jié)。但是,在圖3a-3j中,反射參考光束R32D的原始光束分別在分束器100和100a上經(jīng)歷了一次透射和一次反射,而在焦散射探測光束P32D的原始光束卻在分束器100a上經(jīng)歷了一次透射,在分束器100上經(jīng)歷了一次透射和一次反射。于是反射參考光束R32D和在焦散射探測光束P32D的原始光束不像圖1a-1j情形中那樣受到分束器100和100a相同的對待。例如,在圖3a-3j的實施例中,反射參考光束R32D與在焦散射探測光束P32D的振幅比值可以通過增大分束器100的透射系數(shù)和/或增大分束器100a的反射系數(shù)來提高。
如圖3a-3j所示,本發(fā)明的第三優(yōu)選實施例是一個由分束器100、100a和100b,物體材料112,一個參考反射鏡120,以及一個探測器114所組成的干涉儀。這種構(gòu)形在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)被認(rèn)為是邁克耳遜干涉儀的一種形式,這里示出的是一個簡單的例子??梢栽趫D3a-3j的設(shè)備中采用本技術(shù)領(lǐng)域所知的其他形式的干涉儀,例如在前述Zanoni的論文“Differential Interferometer Arrangements for Distance andAngle MeasurementsPrinciples,Advantages,and Applications”中所說明的偏振邁克耳遜干涉儀,這樣做不會明顯偏離本發(fā)明第三優(yōu)選實施例的精神和范疇。
圖3b以示意圖形式示出圖3a所示子系統(tǒng)80的實施例。對于第三優(yōu)選實施例,光源10最好是一個點光源或是一個其表面各處的輻射是空間非相干的光源,最好是一個激光器或類似的相干光源或部分相干輻射光源,并且最好是偏振的。光源10發(fā)出對準(zhǔn)于子系統(tǒng)80的光軸3的輸入光束2。如圖3b所示,光束2進(jìn)入聚焦透鏡6并被聚焦在像平面7中的一個針孔8上。由光束12-1、-2、-3、-4所組成的光束12從針孔8發(fā)散,進(jìn)入一個其光軸對準(zhǔn)于子系統(tǒng)80的光軸3的透鏡16。光束12從透鏡16出射時變成由光束12A-1、-2、-3、-4所組成的準(zhǔn)直光束12A,進(jìn)入移相器14。移相器14由一些矩形移相器14-1、14-2、14-2、14-4組成,它們各自的光軸都平行于子系統(tǒng)80的光軸3。應(yīng)該指出,這些矩形移相器的數(shù)目可以是一個任意適當(dāng)?shù)臄?shù)2m,其中m為整數(shù)。圖3b所示例子對應(yīng)于m=2的情況,4個移相器已足以清楚地表明本發(fā)明設(shè)備各個部件之間的關(guān)系。平行光束12A-1、-2、-3、-4分別透過移相器14-1、14-2、14-3、14-4,從移相器14出射時分別變成光束12B-1、-2、-3、-4,這后4個光束組成了光束12B。移相器14-2和14-4所導(dǎo)入的相移量都比移相器14-1或14-3所導(dǎo)入的多π弧度,移相器14-1和14-3所導(dǎo)入的相移量是相同的。
在圖3a中,光束12B從子系統(tǒng)80射出,部分地透過分束器100a,變成由光束P12B-1、-2、-3、-4所組成的光束P12B。光束P12B進(jìn)入子系統(tǒng)81a。在圖3c中,光束P12B進(jìn)入透鏡26a,出射時變成由光束P12C-1、-2、-3、-4所組成的光束P12C。透鏡26a把光束P12C聚焦成在焦像平面17a中的點像18a。光束P12C從點像18a射出時變成由光束P22-1、-2、-3、-4所組成的光束P22。光束P22進(jìn)入一個其光軸對準(zhǔn)子系統(tǒng)81a的光軸3的透鏡36a。光束P22從透鏡36a射出時變成由光束P22A-1、-2、-3、-4所組成的準(zhǔn)直光束P22A,然后離開子系統(tǒng)81a。
如圖3a所示,光束P22A被分束器100部分地透射,變成由光束P22B-1、-2、-3、-4所組成的光束P22B,然后進(jìn)入圖3d所示的子系統(tǒng)82。
在圖3d中,光束P22B入射到一個含有單元24-1、-2、-3、-4的移相器24上。移相器24所含的單元數(shù)2m與移相器14的相同,圖3d示出的是m=2的情況。光束P22B-1、-2、-3、-4分別透過移相器24-1、-2、-3、-4,出射時分別變成光束P22C-1、-2、-3、-4,它們組成了光束P22C。由移相器24-1和24-3所導(dǎo)入的相移量是相同的,都比移相器24-2或24-4所導(dǎo)入的多π弧度,移相器24-2與42-4所導(dǎo)入的相移量是相同的。于是如前面所說明的,在光束P22C-1、-2、-3、-4中的任何兩個光束之間沒有凈相對相移。光束P22C透過透鏡46,變成由光束P22D-1、-2、-3、-4所組成的光束P22D,后者被聚焦成物體材料112中的在焦像平面27上的點像28。透鏡46的光軸是對準(zhǔn)于子系統(tǒng)82的光軸3的。
在圖3a中,光束12B被分束器100a部分地反射,變成由光束R12B-1、-2、-3、-4所組成的光束R12B。光束R12B進(jìn)入子系統(tǒng)81b。
在圖3e中,光束R12B進(jìn)入透鏡26b,出射時變成由光束R12C-1、-2、-3、-4所組成的光束R12C。透鏡26b的光軸是對準(zhǔn)于子系統(tǒng)81b的光軸3b的。透鏡26b和平面反射鏡120b一起把光束R12C聚焦成在焦像平面17b上的點像18b。光束R12C從點像18b發(fā)散,變成由光束R22-1、-2、-3、-4所組成的光束R22。光束R22進(jìn)入一個光軸對準(zhǔn)于子系統(tǒng)81b的光軸3c的透鏡36b。光束R22從透鏡36b出射時變成由光束R22A-1、-2、-3、-4所組成的準(zhǔn)直光束R22A,然后離開子系統(tǒng)81b。
如圖3a所示,離開了子系統(tǒng)81b的光束R22A進(jìn)入子系統(tǒng)83a。在圖3f所示的子系統(tǒng)83a中,光束R22A入射到由移相器單元34a-1、-2、-3、-4所組成的移相器34a上。移相器34a所含的單元數(shù)2m與移相器14所含的相同,圖3f示出的是m=2的情形。光束R22A透過移相器34a后變成光束R22B,然后被部分反射成由光束R22C-1、-2、-3、-4所組成的光束R22C。由移相器34a-1和34a-3所導(dǎo)入的相移量相同,比移相器34a-2或34a-4導(dǎo)入的多π弧度,移相器34a-2和34a-4所導(dǎo)入的相移量是相同的。因此在光束R22C-1、-2、-3、-4中的任何兩個光束之間沒有凈相對相移。光束R22C透過透鏡56a,變成由光束R22D-1、-2、-3、-4所組成的光束R22D。光束R22D被透鏡56a聚焦成參考反射鏡120上的在焦像平面37中的點像38。透鏡56a的光軸是對準(zhǔn)子子系統(tǒng)83a的光軸3a的。
在圖3g中,光束P22D(見圖3d)的一部分點像28處的物體材料反射和/或散射,變成由多個光束P32-1、-2、-3、-4所組成的光束P32。光束P32從在焦像平面27中的點像28處發(fā)散,進(jìn)入透鏡46。如圖3g所示,光束P32從透鏡46射出時變成由光束P32A-1、-2、-3、-4所組成的準(zhǔn)直光束P32A。光束P32A-1、-2、-3、-4分別透過移相器24-4、-3、-2、-1,出射時分別變成光束P32B-1、-2、-3、-4。光束P32B-1、-2、-3、-4組成了光束P32B,從子系統(tǒng)82射出。由移相器24-1與24-3所導(dǎo)入的相移量是相同的,比由移相器24-2或24-4所導(dǎo)入的多π弧度,移相器24-2與24-4所導(dǎo)入的相移量是相同的。
在圖3h中,光束R22D(見圖3f)被參考反射鏡120反射,變成由光束R32-1、-2、-3、-4所組成的光束R32。光束R32從在焦像平面37中的點像38處發(fā)散,進(jìn)入透鏡56a。如圖3h所示,光束R32從透鏡56a出射時變成由光束R32A-1、-2、-3、-4所組成的準(zhǔn)直光束R32A。光束R32A-1、-2、-3、-4被分束器100b部分地透射,接著,部分透射的各個光束透過移相器44,接著再分透過移相器34-4、-3、-2、-1,出射時分別變成R32B-1、-2、-3、-4。由移相器44所導(dǎo)入的相移量受來自計算機(jī)118的信號132控制。由移相器34-1和34-3所導(dǎo)入的相移量是相同的,由移相器34-1或34-4所導(dǎo)入的相移量是相同的,比由移相器34-2與34-4所導(dǎo)入的多π弧度,由移相器34-2與34-4所導(dǎo)入的相移量是相同的。光束R32B-1、-2、-3、-4組成了光束R32B,從子系統(tǒng)83a射出。
圖3a示出,光束P32B被分束器100部分地反射,變成由光束P32C-1、-2、-3、-4所組成的光束P32C。光束P32C進(jìn)入圖3I所示的子系統(tǒng)84,接著透過透鏡66,出射時變成由光束P32D-1、-2、-3、-4所組成的光束P32D。光束P32D被透鏡66聚焦成單像素探測器114上在焦像平面47中的點像48。透鏡66的光軸是對準(zhǔn)于子系統(tǒng)84的光軸3a的。
圖3a示出,光束R32B被分束部分地透射,變成由光束R32C-1、-2、-3、-4的組成的光束R32C。接著光束R32C進(jìn)入圖3j所示的子系統(tǒng)84。在圖3j中,光束R32C透過透鏡66,射出時成為由光束R32D-1、-2、-3、-4所組成的光束R32D。光束R32D被透射66聚焦成單像素探測器114上在焦像平面47中的點像48。
圖3a-3j所示的第三實施例的其余情況最好與對圖1a-1j所說明的相同,這里不再重復(fù)說明。
現(xiàn)在參見圖4a-4d,其中以示意圖形式示出了本發(fā)明的第四實施例,其中的光學(xué)子系統(tǒng)80a和探測器子系統(tǒng)84a最好被構(gòu)形成狹縫共焦顯微系統(tǒng)。圖4a-4d中與圖3a-3j中類似的元件用類似的代號表示。圖4b所示的子系統(tǒng)80a的改變在于光源10a的部分,現(xiàn)在它最好由一個寬帶、空間非相干的線光源組成,最好是一個燈絲或激光二極管陣列;第三實施例中的針孔8的部分現(xiàn)在最好由一個與透鏡6所成的線光源10a的像相對齊的光源針孔線陣8a組成。圖4c和4d所示子系統(tǒng)84a的改變在于探測器114a的部分,其中第三實施例的像平面47中的針孔現(xiàn)在最好是一個與電源針孔線陣8a在像平面47上的像相對齊的探測器針也陣列,并且第三實施例的單像探測器114現(xiàn)在最好是一個由一個像素線陣所組成的探測器線陣114a。在圖4b中,光源針孔線陣8a和光源線陣10a垂直于圖4b的平面排列,在圖4c和4d中,探測器針孔線陣和探測器像素線陣垂直于圖4c和4d的平面排列。
圖4a-4d所示第四實施例的其余部分最好與對圖3a-3j中第三優(yōu)選實施例所說明的相同,這里不再重復(fù)。
現(xiàn)在參見圖5a-5f,那里示出了本發(fā)明的第五實施例,其中為了在從名義上以與探測光束傳播方向相同的方向透過物體材料的光獲得圖像的情況中,能區(qū)分在焦像的復(fù)振幅與離焦像的復(fù)振幅,第一和第三實施例的參考光束和探測光束的光路被改變了。如果5a-5f所示,本發(fā)明的第五優(yōu)選實施例是一個由分束器100a和100c、物體材料112、折迭反射鏡120b和120c、以及探測器114所組成的干涉儀。這種構(gòu)形在本技術(shù)領(lǐng)域中稱作馬赫—陳德爾干涉儀,這里示出的是一個簡單的例子。在圖5a-5f的設(shè)備中也可以采用本技術(shù)領(lǐng)域所知的其他形式的干涉儀,而不會明顯偏離本發(fā)明第五優(yōu)選實施例的精神和范疇。
圖5b以示意圖形式示出圖5a中的子系統(tǒng)80b的實施例。對于第五優(yōu)選實施例,光源10最好是一個點光源或一個其表面各處的輻射是空間不相干的光源,最好是一個激光器或類似的相干或部分相干輻射光源,并且最好是偏振的。光源10發(fā)出與子系統(tǒng)80b的光軸3相對準(zhǔn)的入射光束2。如圖5b所示,光束2進(jìn)入聚焦透鏡6并被聚焦在像平面7中的針孔8上。由多個光束12-1、-2、-3、-4所組成的光束12從針孔8處發(fā)散,進(jìn)入一個其光軸對準(zhǔn)于子系統(tǒng)80b的光軸3的透鏡16。光束12從透鏡16射出時變成由光束12A-1、-2、-3、-4所組成的準(zhǔn)直光束12A,然后離開子系統(tǒng)80b。
在圖5a中,光束12A離開子系統(tǒng)80b后成為光束12B,光束12B被分束器100a部分透射變成由光束P12B-1、-2、-3、-4所組成的光束P12B。光束P12B進(jìn)入子系統(tǒng)82a。在圖5c中,光束P12B進(jìn)入透鏡46a,出射時變成由光束P12C-1、-2、-3、-4所組成的光束P12C。透鏡46a把光束P12C聚焦成物體材料112中在焦像平面47中的點像48。透鏡46a的光軸是對準(zhǔn)于子系統(tǒng)82a的光軸3的。在圖5c中,光束P12C的一部分在經(jīng)過點像48后透過物體材料112,變成由光束P22-1、-2、-3、-4所組成的光束P22。光束P22從在焦像平面47中的點像48發(fā)散,進(jìn)入透鏡46。如圖5c所示,光束P22從透鏡46b射出時變成由光束P32-1、-2、-3、-4所組成的光束P32。光束P32離開子系統(tǒng)82a。
在圖5a中,光束12B被分束器100a部分地反射成由光束R12B-1、-2、-3、-4所組成的光束R12B。光束R12B進(jìn)入子系統(tǒng)81b。
在圖5d中,光束R12B進(jìn)入透鏡26b,出射時變成由光束R12C-1、-2、-3、-4所組成的光束R12C。透鏡26b的光軸是對準(zhǔn)于子系統(tǒng)81b的光軸3b的。透鏡26b與平面反射鏡120b一起把光束R12C聚焦成在焦像平面17b中的點像18b。光束R12C從點像18b射出時變成由光束R32-1、-2、-3、-4所組成的光束R32。光束R32進(jìn)入一個其光軸對準(zhǔn)于子系統(tǒng)81b的光軸3c的透鏡36b。光束R32從透鏡36b出射時變成由光束R32A-1、-2、-3、-4所組成的光束R32A,然后離開子系統(tǒng)81b。
參見圖5a,其中示出光束P32被反射鏡120c反射,變成光束P32A,進(jìn)入子系統(tǒng)85。在圖5e中,光束進(jìn)入子系統(tǒng)85并入射到移相器24a上。光束P32A-1、-2、-3、-4分別透過移相器24a-1、-2、-3、-4,出射時分別變成光束P32B-1、-2、-3、-4。光束P32B-1、-2、-3、-4組成了光束P32B。移相器24a-1與24a-3所導(dǎo)入的相移量是相同的,比移相器24a-2或24a-4所導(dǎo)入的多π弧度,移相器24a-2與24a-4所導(dǎo)入的相移量是相同的。
圖5e示出,光束P32B被分束器100c部分地反射,變成由光束P32C-1、-2、-3、-4所組成的光束P32C。光束P32C透過透鏡66,出射時變成由光束P32D-1、-2、-3、-4所組成的光束P32D。光束P32D被透鏡66聚焦成單像素探測器114上在焦像平面47中的點像48。透鏡66的光軸是對準(zhǔn)于子系統(tǒng)85的光軸3C的。
回到圖5a,其中示出光束R32A進(jìn)入子系統(tǒng)85。在圖5f所示的子系統(tǒng)85中,光束R32A-1、-2、-3、-4首先分別透過移相器34-1、-2、-3、-4,然后透過移相器44,出射時分別變?yōu)楣馐鳵32B-1、-2、-3、-4。光束R32B-1、-2、-3、-4組成了光束R32B。由移相器44所導(dǎo)入的相移量受來自計算機(jī)118的信號132控制。移相器34-1與34-3所導(dǎo)入的相移量相同,比由移相器34-2或34-4所導(dǎo)入的多π弧度,由移在34-2與34-4所導(dǎo)入的相移量是相同的。光束R32B被分束器100C部分地透射,變成由光束R32C-1、-2、-3、-4所組成的光束R32C。光束R32C透過透鏡66,出射時變成由光束R32D-1、-2、-3、-4所組成的光束R32D。光束R32D被透鏡66聚焦成單像素探測器114上在焦像平面47中的點像48。
圖5a-5f所示第五實施例的其余情況最好與對圖1a-1j和圖3a-3j所說明的相同,這里不再說明。
現(xiàn)在參見圖6a-6d,那里以示意圖形式示出了本發(fā)明的第六實施例其中的光源子系統(tǒng)80c和探測器子系統(tǒng)85a最好被構(gòu)形成狹縫共焦顯微系統(tǒng)。圖6a-6d中與前述圖5a-5f中類似的元件用類似的代號表示。圖6b所示子系統(tǒng)80c的改變在于光源10a的部分,現(xiàn)在它最好含有一個寬帶??臻g非相干的線光源,最好是一個燈絲陣列或激光二極管陣列,在第五實施例的針孔8的部分,現(xiàn)在最好含有一個與由透鏡6所成的線光源6a的像相對齊的光源針孔線陣8a。圖6c和6d所示子系統(tǒng)85a的改變在于探測器114a的部分,其中第五實施例的像平面47中的針孔現(xiàn)在最好是一個與像平面47上的光源針孔線陣8a的像相對齊的探測器針孔線陣,并且第五實施例的單像探測器114現(xiàn)在最好是一個由一個像素線陣所組成的探測器線陣114a。在圖6b中,光源針孔線陣8a和光源線陣10a垂直于圖6b的平面排列;在圖6c和6d中,探測器針孔線陣和探測器像來線陣垂直于圖6c和6d的平面排列。
圖6a-6d所示第六實施例的其余部分最好與對第五優(yōu)選實施例的圖5a-5f所說明的相同,這里不再說明。
熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們應(yīng)會看到,在不偏離本發(fā)明的精神和范疇的情況下,為了改變本發(fā)明設(shè)備對減小來自離焦像的信號的程序和空間分辨率的性質(zhì),可以對移相器14、24、24a、34和34a應(yīng)用除旁瓣技術(shù)。他們還應(yīng)會看到,在不偏離本發(fā)明精神和范疇的情況下,移相器14、24、24a、34和34a的功能也可以用其他的移相器組合達(dá)到,或者被構(gòu)形成具有一組同心圓單元或其他幾何圖案單元的元件。
移相器14、24、24a、34、34a和44可以是電光類型的或其他色散光學(xué)元件類型的。關(guān)于色散光學(xué)元件類型的參考文獻(xiàn)將在下面討論寬帶操作的段落中給出。或者,這里所說明的由移相器44所導(dǎo)入的相移也可以通過使反射鏡移動來產(chǎn)生,例如使參考反射鏡120沿子系統(tǒng)83和83a的光軸3a的方向移動。
如果由移相器14、24、24a、34、34a和44所導(dǎo)入的相移量與波長無關(guān),則本發(fā)明設(shè)備對寬帶光源的性能可得到改進(jìn)。通過把移相器14、24、24a、34、34a和44適當(dāng)?shù)卦O(shè)計成例如下述兩個專利所公開的類型,則有可能滿足寬帶移相器的要求,這兩個專利是1980年7月授予H.A.Hill(希爾)、J.W.Figoski(費戈斯基)和P.T.Ballard(巴拉德)的美國專利No.4,213,706“Background CompensatingInterferometer(帶背景補(bǔ)償?shù)母缮鎯x)”和1981年12月授予H.A.Hill、J.W.Figoski和P.T.Ballard的美國專利No.4,304,464,后者的標(biāo)題也是“Background Compensating Interferometer”,這兩個專利在此引用作為參考。在前述Hill、Oglesby和Ziebell的論文中公開了一個基于上述美國專利No.4,304,464的適用于本發(fā)明六個優(yōu)選實施例的寬帶移相器設(shè)計。
理論背景振幅的減小前述各優(yōu)選實施例中所描述的設(shè)備全都是針孔共焦干涉顯微系統(tǒng)或狹縫共焦干涉顯微系統(tǒng)的例子。共焦顯微系統(tǒng)的背景減小能力是其最重要的屬性之一,這個能力起因于共焦顯微術(shù)強(qiáng)大的光學(xué)分層性質(zhì)。這與普通顯微術(shù)中靠限制景深有完全不同的性質(zhì),其差別在于,在普通顯微鏡中離焦信息僅僅是被模糊化了,而在共焦系統(tǒng)中探測到的離焦信息確實被大為減少在軸向偏離了焦平面的某個地點所散射的光在探測器下面上是離焦的,因此不能有效地通過設(shè)置在探測器平面上的一個掩膜,請參見C.J.R.Sheppard(庫帕德)和C.J.Cogswll(考格斯威爾)在T.Wilson(威爾遜)所編的著作《Confocal Microscopy(共焦顯微術(shù))》(Academic Press,London,1990)中的文章“Three-dimensional Imaging In Confocal Microscopy(共焦顯微術(shù)中的三維成像)”(pp143-169)。
圖1a-1j、2a-2d、3a-3j、4a-4d、5a-5f、6a-6d中的本發(fā)明共焦干涉顯微鏡的一個不尋常的特性是,反射或透射的參考光束以及散射或透射的探測光束都因受到光瞳函數(shù)的影響而使其在焦像點48處發(fā)生明顯改變,但在焦像點48處的離焦光束部分卻基本上沒有改變。在本技術(shù)領(lǐng)域中,人們知道共焦干涉顯微系統(tǒng)是一種為獲得物體的二維和三維像而改進(jìn)光學(xué)分層的手段;而改變顯微鏡的光瞳函數(shù)(見M.玻恩和E.沃耳夫,《Principles of Optics(光學(xué)原理)》,第8.6,3節(jié),423-427(Pergamon Press,New York,1959)是一種為某些特定應(yīng)用而改進(jìn)對比度的手段。不過,發(fā)明人相信,把共焦干涉顯微術(shù)和改變光瞳函數(shù)結(jié)合在同一個系統(tǒng)中以減小由背景光造成的系統(tǒng)誤差和統(tǒng)計誤差,則是首次在這里提出的。
在焦像的脈沖響應(yīng)函數(shù)非熒光共焦掃描顯微鏡有兩種有用的模式反射模式和透射模式。請參見C.J.R.Sheppard在《Advances in Optical and ElectronMicroscopy,10(光學(xué)和電子顯微術(shù)進(jìn)展,10)》中的文章“ScanningOptical Microscopy(掃描光學(xué)顯微術(shù))”以及C.J.R.Sheppard和.A.Choudhury(楚赫利)在OpticaActa,24(10),1051-1073(1977)上發(fā)表的論文。實際上,利用共焦顯微鏡通過使物體沿軸向掃描能容易地實現(xiàn)光學(xué)分層,從而形成三維像。請參見C.J.R Sheppard和C.J.Cogswell在J.Microscopy,159(pt2),179-194(1990)上發(fā)表的論文;C.J.R.Sheppard和T.Wilson在Opt.Lett.3,115-117(1978)上發(fā)表的論文;以及C.J.R.Sheppard,D.K.Hamilton,和I.J.Cox發(fā)表在Proc.R.Soc.Lond.,A387,171-186(1983)上的論文。
考慮一個有三個成像部分的反射模式共焦顯微結(jié)構(gòu)(圖7),通過適當(dāng)?shù)馗淖冏鴺?biāo)系統(tǒng)和對未散射探測光束的處理,可以從反射模式共焦顯微鏡的性質(zhì)得到透射模式共焦顯微鏡的性質(zhì)。與含有光源10、物體112和探測器114的由圖1b-1j所示的子系統(tǒng)的組合相比較,圖7的透鏡1等價于透鏡16與26的組合,圖7的透鏡2等價于透鏡36與46的組合,圖7的透鏡3等價于透鏡46與66的組合。我們給下述4個空間定義光學(xué)坐標(biāo)系(vi,wi,ui)像平面7A空間、像平面17A空間、物體112或參考反射鏡120空間、和探測器114的像空間47A,這4個空間對應(yīng)的i值依次為i=1,2,0,3。這時有υi=kxi~sinαi,]]>wi=kyi~sinαi----(1)]]>ui=4kzi~sin2(αi/2),]]>其中,sinαi是第i空間的數(shù)值孔徑,k=2π/λ是波數(shù),λ是輻射在真空中的波長,

是第i空間中的光程距離。光程距離的定義是xi~=∫0sin(xi′,yi′,zi′)dxi′,]]>yi~=∫0yin(xi′,yi′,zi′)dyi′,----(2)]]>zi~=∫0zi(xi′,yi′,zi′)dzi′]]>其中的積分路徑沿著相應(yīng)的光線,n(xi′、yi′、zi′)是(xi′、yi′、zi′)處的折射率。
已經(jīng)證明,共焦顯微鏡中的成像性能類似于相干顯微鏡(見前述Sheppard和Choudhury的論文),其中的像可以用相干傳遞函數(shù)來描述,相干傳遞函數(shù)是脈沖響應(yīng)函數(shù)的傅里葉變換。因此,圖7系統(tǒng)的有效三維脈沖響應(yīng)函數(shù)he(V3,V0,V2,V1)可表示為he(v3,v0,v2,v1)=h3(v3-v0)h2(v0-v2)h1(v2-v1),(3)其中h1(v)=∫∫P1(ξ1,η1)exp{ju[14sin2(α1/2)-12(ξ12+η12)]}----(4a)]]>×exp[-j(ξ1υ+η1w)+jkW1]dξ1dη1;h2(v)=∫∫P2(ξ2,η2)exp{ju[14sin2(α2/2)-12(ξ22+η22)]}]]>×exp[-j(ξ2υ+η2w)+W2]dξ2dη2;(4b)h3(v)=∫∫P3(ξ3,η3)exp{-ju[14sin2(α3/2)-12(ξ32+η32)]}]]>×exp[-j(ξ3υ+η3w)+W3]dξ3dη3;(4c)hi、pi和wi分別是第i個等價透鏡的脈沖響應(yīng)函數(shù)、光瞳函數(shù)和波差(波像差)函數(shù)(見M.Gu(顧)和C.J.R.Sheppard在Appl.Opt.31(14),2541-2549(1992)上發(fā)表的論文中的參考文獻(xiàn)10-12);j是(-1)1/2。脈沖響應(yīng)函數(shù)是響應(yīng)于一個點源物體時像平面中的振幅。移相器14、24、24a、34、34a和44的作用可歸入相應(yīng)的光瞳函數(shù)pi中。移相器14、24、24a、34、34a和44的任何消旁瓣作用也被歸入相應(yīng)的pi。
假定三維物體可由代表單位體積的散射的散射分布t(V0)來表征(見C.J.R.Sheppard和X.Q.Mao(毛)在J.0pt.Soc.Am.A,6(9),1260-1269(1989)上發(fā)表的論文),t(V0)與折射率n的關(guān)系是t(v0)=j(luò)k2[1-n2(v0)](5)見E.Wolf(沃耳夫)在Opt.Commun.,1,153-156(1969)上發(fā)表的論文。一般n和t都是復(fù)數(shù),等式(5)中的j說明在無損耗媒質(zhì)中散射波與直射波的相位正交。假定多次散射的效應(yīng)可以忽略。我們還忽略未散射的輻射,對于反射模式由于沒有直射(未散射)輻射會對像有貢獻(xiàn),這個假定是成立的。由于疊加原理成立,所以像振幅可看成是構(gòu)成物體的各個基元斷層的貢獻(xiàn)的和。此外還必須在整個非相干光源面上對振幅分布A(V1)積分。對于物體的入射輻射和反射/散射輻射,還必需包括表明輻射在物體中的衰減的衰減函數(shù)a(V0)。于是像空間47A的在焦散射探測光束Us的振幅由下式給出Us(v3)=(R1T1)1/2∫∫A(v1){∫∫∫[∫∫h2(v2-v1)h2(v0-v2)dv2]]]>×a(v0)t(v0)a(v0)h3(v3-v0)dv0}dv1(6)其中R1和T1分別是分束100器的反射和透射系數(shù)。
各透鏡的脈沖響應(yīng)函數(shù)可寫成h1(v2-v1)={exp[jk(Z2~-Z1~)]}h1′(v2-v1)---(7a)]]>h2(v0-v2)={exp[jk(Z0~-Z2~)]}h2′(v0-v2)---(7b)]]>h3(v3-v0)={exp[jk(Z0~-Z3~)]}h3′(v3-v0)---(7c)]]>其中h1′(v2-v1)=∫∫P1(ξ1,η1)exp{ju2[12(ξ12+η12)]}]]>×((exp{-j[ξ1(υ2-υ1)+η1(w2-w1)]+jkW1}))dξ1dη1,(8a)h2′(v0-v2)=∫∫P2(ξ2,η2)exp{j(u0-u2)[12(ξ22+η22)]}]]>×((exp{-j[ξ2(υ0-υ2)+η2(w0-w2)]+jkW2}))dξ2dη2,(8b)h3′(v3-v0)=∫∫P3(ξ3,η3)exp{-ju0[12(ξ32+η32)]}]]>×((exp{-j[ξ3(υ3-υ0)+η3(w3-w0)]+jkW3}))dξ2dη2(8c)等式(7c)中因子

的正負(fù)號與等式(7a)和(7b)中相應(yīng)因子的不同,這是因為在V0空間中發(fā)生了反射。把等式(7a)、(7b)、(7c)代入等式(6),并執(zhí)行對V2空間的積分,得到下述US(V3)的表達(dá)式US(v3)=(R1T1)1/2∫∫A(v1){∫exp(j2kz0~)[∫∫h1′(v0-v1)a(v0)t(v0)]]>×a(v0)h3′(v3-v0)dυ0dw0]dz0}dυ1dw1(9)其中已假定在像空間17A中沒有空間濾波,并且波差函數(shù)W2已與W1結(jié)合。通過設(shè)定

,即,

,就可從等式(9)得到透射模式共焦顯微鏡結(jié)構(gòu)的相應(yīng)US(V3)表達(dá)式。
為了簡單,假定在本公開中波差函數(shù)Wi=1,并且光瞳函數(shù)PI沒有消旁瓣功能,即移相器14、24、24a、34、34a和44沒有消旁瓣功能。熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們應(yīng)可看到,如果例如為了改變分辨率而采用了消旁瓣技術(shù),則得到的US(V3)表達(dá)式將更為復(fù)雜,不過,關(guān)于其對稱或反對稱空間性質(zhì)這一重要特性仍是相同的。在這些簡化假設(shè)之下,對于級別1的鑒別情況等式(9)的積分將給出US(v3)=(12)(a′d0)(R1T1)1/2∫A(v1)dυ1∫∫sinc[(a′/2d0)(υ0-υ1)]]]>×{sin[m(υ0-υ1)]msin[(1/2)(υ0-υ1)]}a(v0)t(v0)a(v0)sinc[(a′/2d0)(υ3-υ0)]]]>×{sin[m(υ3-υ0)]msin(υ3-υ0)}sin[(1/2)(υ3-υ0)]exp(j2kzS~)dυ0dz0---(10)]]>其中

已由

取代,a’和d0分別是移相器14、24、24a、34和34a中各單元的寬度和中心距,sincx≡(sinx/x)。由于在級別1的鑒別中wI對離焦像背景的減小沒有關(guān)系,所以已除去了對wI的依賴關(guān)系。
反射參考光束的振幅的相應(yīng)表達(dá)式為UR(v3)=(12)(a′d0)(T1R1)1/2∫A(v1)dυ1∫sinc(a′/2d0)(υ0-υ1)]]]>×{sin[m(υ0-υ1)]msin[(1/2)(υ0-υ1)]}sinc[(a′/2d0)(υ3-υ0)]]]>×{sin[m(υ3-υ0)]msin(υ3-υ0)}sin[(1/2)(υ3-υ0)]exp(j2kzR~)dυ0---(11)]]>其中

已被

取代。
讓我們考慮a’=d0的特殊情況。這時等式(10)和(11)將分別簡化為UR(v3)=(12)(R1T1)1/2∫A(v1)dυ1∫∫2sinc[m(υ0-υ1)]]]>×a(v0)t(v0)a(v0)sinc[(1/2)(υ3-υ0)]{sin[m(υ3-υ0)]msin(υ3-υ0)}--(12)]]>×sin[(1/2)(υ3-υ0)]exp(j2kzs~)dυ0dz0]]>UR(v3)=(12)(T1R1)1/2∫A(v1)dυ1∫2sinc[m(υ0-υ1)]]]>×sinc[(1/2)(υ3-υ0)]{sin[m(υ3-υ0)]msin(υ3-υ0)}]]>×sin[(1/2)(υ3-υ0)]exp(j2kzR~)dυ0--(13)]]>公式(13)中對ν0的積分可被執(zhí)行具有結(jié)果UR(v3)=(12)(T1R1)1/2∫A(v1)(l/m)sinc[(1/2)(υ3-υ1)]]]>×{sin[m(υ3-υ1)]msin(υ3-υ1)}sin[(1/2)(υ3-υ1)]exp(j2kzR~)dυ1--(14)]]>圖8示出當(dāng)y3=0,z3=0,v1=0時一個雙單元移相器系統(tǒng)(m=1)的UR(V3)與(x3kd0/f)的函數(shù)關(guān)系曲線的例子。
等式(14)中通過因子sin[(1/2)(υ3-υ1)].清楚地表明了UR(V3)對于V1的反對稱空間分布。由于等式(12)與等式(13)有相同的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu),所以Us(V3)的空間分布一般也有類似的性質(zhì)。在有選擇地減小離焦像背景的振幅時,正是利用了這個反對稱的空間分布。
離焦像的振幅探測器在焦像平面47中的離焦光束振幅UB可以用菲涅爾積分C(z)和S(z)表示,它們的定義是C(z)=∫0zcos(π2t2)dt----(15)]]>S(z)=∫0zsin(π2t2)dt----(16)]]>請參見Abramowitz(阿勃拉莫維奇)和Stegun(史梯更),《Handbook of Mathematical Functions(數(shù)學(xué)函數(shù)手冊)》,(Nat.Burof Standards(國家標(biāo)準(zhǔn)局)),(Appl Math(應(yīng)用數(shù)學(xué))Ser 55),Sect.7.3,300-302,1994。對于位于V1=(0,0,0)的點光源8,UB的表達(dá)方式為UB(v3)=-(jk)(ABf2)(πf2kzB)exp[jk(zB~)exp[jk(xB2+yB2)/(2zB)]]]>×∫∫P3(ξ3,η3)exp[-jπ2(ξ32+η32)]dξ3dη3---(17)]]>對于級別2鑒別,當(dāng)對ζ3和η3求出積分后得到UB(v3)=-(jk)(ABf2)(πf2kzB)exp[jk(zB~)exp[jk(xB2+yB2)/(2zB)]]]>×{[C(ξ5′)-2C(ξ4′)+2C(ξ3′)-2C(ξ2′)+C(ξ1′)]-j[S(ξ5′)-2S(ξ4′)+2S(ξ3′)-2S(ξ2′)+S(ξ1′)]}×{[C(η5′)-2C(η4′)+2C(η3′)-2C(η2′)+C(η1′)]-j[S(η5′)-2S(η4′)+2S(η3′)-2S(η2′)+S(η1′)]} (18)其中,ξP′=(kzBπf2)1/2[(p-3)a+xBzBf];p=1,…,5----(19)]]>ηp′=(kzBπf2)1/2[(p-3)a+yBzBf];p=1,…,5---(20)]]>f是透鏡3出射光瞳處光束波前的曲率半徑,(xB,yB,zB)是在焦像平面47中的離焦坐標(biāo),(AB/f)是透鏡3出射光瞳處離焦光束的振幅。工作在例如U3方向上的級別1鑒別的結(jié)果為UB(v3)=-(jk)(ABf2)(πf2kzB)exp[jk(zB~)exp[jk(xB2+yB2)/(2zB)]]]>×{[C(ξ5′)-2C(ξ4′)+2C(ξ3′)-2C(ξ2′)+C(ξ1′)]-j[S(ξ5′)-2S(ξ4′)+2S(ξ3′)-2S(ξ2′)+S(ξ1′)]}(21)圖9示出對于級別1鑒別各光束B52D-1、-2、-3、-4、的|UB(V3)|與(x3d0/λf)的函數(shù)關(guān)系曲線的例子,其中假定y3=0和z3=50λ(f/d0)2。
利用菲涅耳積分的性質(zhì)(請參見上述Abramowitz和Stegun的文章)可以證明分別對于以往技術(shù)共焦干涉顯微術(shù)情況和本發(fā)明公開情況,(URUB*+UR*UB)在探測器針孔范圍內(nèi)的積分具有下列性質(zhì)

其中U*代表U的復(fù)共軛,積分范圍的中心對于級別1鑒別位于UR在x3方向的反對稱中心,對于級別2鑒別位于UR在x3和y3兩個方向的對稱中心。
根據(jù)本發(fā)明實施的設(shè)備的性質(zhì)中的一個十分重要的特點是,對于離焦像光源中的每一個獨立的體積元都能實現(xiàn)經(jīng)增強(qiáng)的干涉項減小。因此,干涉項的這種減小將同時導(dǎo)致由離焦像背景所造成的統(tǒng)計誤差和系統(tǒng)誤差的經(jīng)增強(qiáng)減小。
統(tǒng)計誤差考慮本發(fā)明設(shè)備對一任意三維散射物體112的一個平面橫截面的響應(yīng)。對于散射物體112的一個給定橫向平面截面,探測器一個像素的輸出電流I為I(zO,S-zO,R,x)=∫∫p|UR|2dx3dy3+∫∫p|UB|2dx3dy3+∫∫p|US|2dx3dy3]]>+cosx∫∫p(URUS*+UR*US)dx3dy3+jsinx∫∫p(URUS*-UR*US)dx3dy3]]>+cosx∫∫p(URUB*+UR*UB)dx3dy3+jsinx∫∫p(URUB*-UR*UB)dx3dy3--(23)]]>+∫∫p(USUB*+US*US)dx3dy3]]>其中

是在該像素面積內(nèi)的積分,x是移相器44所導(dǎo)入的相移量。強(qiáng)度差I(lǐng)1-I2和I3-I4的相應(yīng)等式為I1-I2=2∫∫p(URUB*+UR*UB)dx3dy3]]>+2∫∫p(URUS*+UR*US)dx3dy3,---(24a)]]>I3-I4=j2∫∫p(URUB*-UR*UB)dx3dy3]]>+j2∫∫p(URUS*-UR*US)dx3dy3---(24b)]]>其中Ip由下式定義Ip≡I(x=xp),x1=0,x2=π,x3=π/2,x4=3π/2(25)



誤差可分別表示為σ2[∫∫p(URUS*+UR*US)dx3dy3]∫∫p|UR|2dx3dy3=12+12∫∫p|UB|2dx3dy3∫∫p|UR|2dx3dy3]]>+12∫∫p|US|2dx3dy3∫∫p|UR|2dx3dy3+12σ2[∫∫p(URRB*+UR*UB)dx3dy3]∫∫p|UR|2dx3dy3---(26a)]]>+12σ2[∫∫p(USUB*+US*UB)dx3dy3∫∫p|UR|2dx3dy3]]>聚物的7%(重)。前面描述了本發(fā)明共聚物合金的該實施方案,其主要設(shè)計特征和性質(zhì)示于表1中。然后用加熱的壓延輥點粘該織物,隨后制備和分析熱粘結(jié)曲線,評價該雙層織物的OBT。下表5中與對照的雙層織物對比給出預(yù)期的性質(zhì)。
可在線或離線層壓由共聚物合金制備的第二S層形成復(fù)合的SMS織物。
在不背離本發(fā)明概念的情況下可對本文所述組合物和方法作許多修改和改變。因此,顯而易見本文所描述和說明的本發(fā)明形式僅是舉例說明,不限制本發(fā)明的范圍。
表5SM預(yù)期的實施例

一個約等于(3/2)的因子。然而,這一增益的代價是光源功率和所需信號電子處理電路的動態(tài)范圍的巨大增加。因此,|UR|的最佳選擇典型地應(yīng)是滿足述條件

當(dāng)滿足關(guān)系式(28)所示的條件時,等式(27a)和(27b)所給出的統(tǒng)計誤差將受下列不等式的限制12<σ2[∫∫p(URUS*+UR*US)dx3dy3]∫∫p|UR|2dx3dy3≤98---(29a)]]>12<σ2[∫∫p(URUS*-UR*US)dx3dy3]∫∫p|UR|2dx3dy3≤98---(29b)]]>審視等式(26a)和(26b)或(27a)和(27b)可清楚明顯地看到,實施了本發(fā)明的設(shè)備由于其減小了的離焦像背景而在給定的工作值US和UR下本征地具有低于以往技術(shù)共焦干涉顯微系統(tǒng)的統(tǒng)計誤差。典型地,使用實施本發(fā)明的設(shè)備所得到的信噪比將比使用未采用本發(fā)明的共焦干涉顯微鏡的大一個因子(3/2)1/2。
對等式(26a)和(26b)、(27a)和(27b),以及(29a)和(29b)的解釋是利用這里所公開的本發(fā)明有可能從一組4個強(qiáng)度測量得到復(fù)數(shù)散射振幅的兩個分量,使得對于物體中的每個獨立的位置,較小的復(fù)數(shù)散射振幅的每個分量的統(tǒng)計誤差都典型地在由復(fù)數(shù)散射振幅自身的統(tǒng)計性質(zhì)所確定的有限統(tǒng)計誤差的一個因子(3/2)1/2范圍內(nèi),并且與往技術(shù)共焦干涉顯微鏡相比,能夠以較低的光源工作功率大小和較低的信號處理電路動態(tài)范圍要求來達(dá)到給定的統(tǒng)計誤差?!蔼毩⒌奈恢谩边@個詞用來表示各個由4個測量強(qiáng)度組成的組是一些統(tǒng)計獨立的組。
有可能在圖1a-1j和圖2a-2d所示的第一和第二實施例中通過減小移相器24的透射率以同時衰減像平面47處的散射探測光束和離焦像光束,來滿足關(guān)系式(28)所給出的條件。為了得到給定的信噪比,這個衰減處理有可能需要隨著移相器24衰減程度的增大而增大光源10的強(qiáng)度。對于圖3a-3j和4a-4d所示的本發(fā)明第三和第四實施例,可以通過調(diào)節(jié)分束器100、100a和100b的相對透射/反射性質(zhì)來滿足關(guān)系式(28)給出的條件。一般而言,當(dāng)用第三或第四實施例來滿足關(guān)系式(28)給出的條件時,與上述基于減小移相器24透射率的衰減處理相比,光源10或10a可以工作于較低的功率。
適用于第五和第六實施例的關(guān)于US、UB、UR的等式可以通過給第一和第二實施例的各相應(yīng)量的等式的右端分別乘上表1所列的相應(yīng)因子而得到。表1中列出的Ri和Ti分別代表反射和透射系數(shù),其中i=1,2,3分別代表分束管100、100a和100b。
表1

由離焦像造成的系統(tǒng)誤差只要測得|UR|,結(jié)合測量值I1-I2和I3-I4,等式(24a)和(24b)可以用來對相幅矢量US的實部和虛部進(jìn)行測量。這可以利用熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們所知的附加光學(xué)裝置來實現(xiàn)。其中剩余有可能系統(tǒng)誤差項∫∫p(URUB*+UR*UB)dx3dy3---(30a)]]>∫∫p(URUB*-UR*UB)dx3dy3---(30b)]]>當(dāng)|UR|>>|US|時,這些系統(tǒng)誤差項可能是明顯的。因此,希望能把由式(30a)和(30b)所表示的干涉項補(bǔ)償?shù)揭粋€可接受的水平。通常,在此公開的本發(fā)明中,為補(bǔ)償



項所需的計算機(jī)處理量要比以往技術(shù)共焦干涉顯微術(shù)所需的少得多。這是因為UB的實間性質(zhì)取決于待測三維物體112的散射性質(zhì),從而通過一個積分方程而取決于US。這些積分方程,即等式(24a)和(24b),是第二類弗萊德霍姆(Fredholm)積分方程。當(dāng)例如在實施了本發(fā)明的設(shè)備中減小了



項時,力求得US而需執(zhí)行的對各個積分方程求逆的計算機(jī)處理將減少。一般,所需計算機(jī)處理的減少速度快于



項的減小速度。
對于那些實施本發(fā)明的設(shè)備不同的,沒有補(bǔ)償互相干項∫∫p(USUB*+US*UB)dx3dy3]]>干涉測量系統(tǒng),對應(yīng)于等式(24a)和(24b)的積分方程是非線性積分方程它們是US的二次積分方程。一般而言為求解非線性積分方程所需的計算機(jī)硬件和軟件要比求解線性積分方程的復(fù)雜得多。因此,實施本發(fā)明的設(shè)備把操作對象從∫∫p(USUB*+US*UB)dx3dy3]]>項轉(zhuǎn)變成



項這一事實代表了本發(fā)明相對于以往技術(shù)針孔共焦顯微術(shù)的一個重要特征。
還應(yīng)指出,與以往技術(shù)針孔共焦顯微術(shù)不同,在實施本發(fā)明的設(shè)備中起因于背景信號

的系統(tǒng)誤差的減小是徹底的。
寬帶工作本發(fā)明的重要特征征一是,當(dāng)光源10是一個寬帶光源時仍可實現(xiàn)對離焦像背景效應(yīng)的經(jīng)增強(qiáng)的減小。從例如等式(14)所揭示的系統(tǒng)性質(zhì)可以明顯看出,只要相應(yīng)(ν3-ν1)滿足條件(其中[σ(q)]2代表宗量q的方差)σ(υ3-υ1)≤π2m----(31)]]>則對于在焦像仍可保持對由等式(12)所給出的US(V3)的高靈敏度。
當(dāng)(ν3-ν1)的值給定時,對信號的貢獻(xiàn)在(x3-x1)/f與k之間有雙曲線的關(guān)系(ν3-ν1)是正比于k(x3-x1)/f的。因此,有可能通過對k加以限制而使得允許的k值與(x3-x1)/f值滿足關(guān)系式(31),同時使獲取像數(shù)據(jù)的探測器將產(chǎn)生改進(jìn)的信噪比(在焦信號強(qiáng)度與離焦信號強(qiáng)度之比)。從關(guān)系式(31)可得到下列關(guān)系式(kd0)2{σ[(x3-x1)/f]}2+(kd0)2[(x3-x1)/f]2(σkk)2]]>≤(π2m)2---(32)]]>選擇這樣一種工作模式,在該模式中關(guān)系式(32)左側(cè)的兩個項有相同的貢獻(xiàn),這時有



結(jié)合關(guān)系式(34)與下列等式將可得到一個關(guān)于(σk/k)的關(guān)系式(υ3-υ1)=[kd0(x3-x0)/f]=rπ;r=1,3… (35)其中rπ代表(ν3-ν1)值的一個子組,在這些值下因子{sin[m(υ3-υ1)]msin(υ3-υ1)}----(36)]]>將達(dá)到峰值。得到的關(guān)于(σk/k)的關(guān)系式為

從關(guān)系式(37)可明顯看出,實施了本發(fā)明的設(shè)備工作于比較寬的λ波帶時仍是有效的。例如,當(dāng)m=1和r=1時,(σk/k)≤0.35;當(dāng)m=2和r=1時(σk/k)≤0.18。
可實際采用的r值范圍有一個限制。這一限制來自對信噪比的考慮。在式(36)所給出的對觀察信號有貢獻(xiàn)的因子中,每個峰值都對應(yīng)著一個改進(jìn)的信號強(qiáng)度。然而,隨著所包含的峰的數(shù)目增多,也即r的最大值rmax增大,根據(jù)關(guān)系式(37)k的帶寬必需減小。
當(dāng)在本發(fā)明的第二、第四或第六實施例中采用級別2的鑒別時,各針孔之間的間距也有一限制。這個限制也可以用類似于寬帶工作段落中的分析來求得。從例如等式(14)所揭示的系統(tǒng)性質(zhì),可明顯看出,只要有

(其中δv1是相應(yīng)針孔光源線陣中相鄰兩針孔之間的間距),就可保持對在焦像的Us(v3)的高靈敏度。
注意到關(guān)系式(33)和(34)所示限制條件的右側(cè)不顯含x1或y1,可以看出實施了本發(fā)明的設(shè)備對于點類光源是有效的,而對x1或y1的取值范圍沒有本征性的限制。
通過混濁媒質(zhì)觀察這里所公開的本發(fā)明的另一個重要特征是,當(dāng)通過混濁媒質(zhì)觀察時對離焦像背景效應(yīng)的增強(qiáng)減小仍是有效的。通過混濁媒質(zhì)觀察時的脈沖響應(yīng)函數(shù)hA.M為hA.M=hA*hM(39)其中hA是設(shè)備在通過非混濁媒質(zhì)觀察時的脈沖響應(yīng)函數(shù),hM是混濁媒質(zhì)的脈沖響應(yīng)函數(shù),*代表hA與hM的卷積。hA*hM的傅里葉變換為h~A.M=hA~hM~----(40)]]>其中

是h的傅里葉變換。脈沖響應(yīng)函數(shù)hM可以由一個高斯分布很好地代表hM(vi-vm)=12πσexp[-(υi-υm)2+(wi-wm)22σ2---(41)]]>其中σ2是hM的方差。
hM的傅里葉變換由下式給出hM~=exp(-q·qσ22)---(42)]]>其中q是與v相共軛的角空間頻率矢量。hA的最低頻率峰值位于頻率q=2π(d0/λ)(43)處。從等式(40)和(42)可以明顯看出,當(dāng)



時,hA.M可次在q=(d0/λ)處保持比較大的值。利用式(43)和(45)可得到,可以使用的d0值受下述條件限制

于是,有可能把實施本發(fā)明的層析成像系統(tǒng)設(shè)計得能在低于由hM決定的截止頻率的空間頻率范圍同保持比較高的靈敏度。
根據(jù)本發(fā)明可以認(rèn)識到,對于具有任意空間性質(zhì)的參考光束振幅,背景光(即離焦返回的探測光束)的振幅與參考光束振幅之間的干涉項可以對不希望的系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生起決定性作用,并且對不希望的統(tǒng)計誤差和產(chǎn)生的是重要的。在本發(fā)明的上述各實施例中,由于通過移相而在參考光束中產(chǎn)生了反對稱的空間性質(zhì),背景光與參考光束振幅之間的干涉項被減小。由于這一干涉項被減小,它將不會在由單像素探測器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)中產(chǎn)生不可接受的大的系統(tǒng)誤差和統(tǒng)計誤差。
還可以認(rèn)識到,參考光束的振幅是與參考光束與在焦返回探測光束(“即”希望信號)之間的干涉項相關(guān)的。參考光束是以參考光束振幅的平方的形式被探測的。在焦返回探測光束是從返回參考光束與在焦返回探測光束之間的相干項,也即在焦返回探測光束振幅與參考光束振幅的乘積的形式被探測的。探測到的參考光束與探測到的返回探測光束是相關(guān)的,因為這兩者中都出現(xiàn)有參考光束振幅。這種相關(guān)性使得從這樣的干涉項來確定物體材料性質(zhì)將在統(tǒng)計上更為精確。結(jié)果,可以從單像素探測器在響應(yīng)于參考光束與在焦返回探測光束之間的干涉項時所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)獲得在焦物體材料的精確特性。這是因為統(tǒng)計精度是受到單像素探測器在響應(yīng)于在焦探測光束振幅的平方時所產(chǎn)生的光電子數(shù)目的限制的,而不是受到單像素探測器在響應(yīng)于參考光束或離焦返回探測光束的振幅平方時所產(chǎn)生的光電子數(shù)目的限制的。
熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們還可看到,在本發(fā)明所公開的各實施例中的任一個實施例中也可以采用另外的和/或附加的光學(xué)元件和探測器。例如,也可以采用偏振分束器或再結(jié)合附加的移相元件來改變用來探測物體材料的輻射的性質(zhì)。另一個例子可以是增加一探測器來監(jiān)視光源強(qiáng)度??梢栽诓黄x本發(fā)明精神的和范疇的情況下作出這些或其他明顯的修改。
還應(yīng)該看到,例如可以在圖1a-1j中刪去移相器34,這時,產(chǎn)生于在焦像平面37中像點38處的點光源8的像將不同于前面所述的像,雖然由反射參考光束于在焦像平面47中的像點48處所產(chǎn)生的點光源8的像基本上與前面所述的像相同。然而,上述離焦像的抵消仍能實現(xiàn)。類似地,可以在圖2a-2b中刪去移相器34,在圖3a-3j和圖刪去移相器34和34a。
還應(yīng)該看到,只要能使反射參考光束在單像素探測器平面上的振幅的空間分布基本上是反對稱的,移相器14、24、24a、34、34a的各個移相器單元的空間構(gòu)形可以與前述的不同和/或帶有除旁瓣功能。不過,為了得到物體材料112的希望層析像,由單像素探測器產(chǎn)生的像數(shù)據(jù)必需以略為不同于前述本發(fā)明各實施例中的方法進(jìn)行處理。
還應(yīng)該看到,前述各實施例中的干涉儀可以是偏振型的,其目的例如是用偏振光去探測物體材料112或者是為了增大通過干涉儀到單個或多個探測器上的光的信息通量。不過,為了使反射參考光束和散射探測光束能在單個或多個探測器上混合,需要在前述設(shè)備中增加例如偏振分束器這樣的附加光學(xué)元件。
權(quán)利要求
1.一種把在焦像從離焦像區(qū)分出來以減小在焦像測量中的統(tǒng)計誤差的方法,它包括以下步驟(a)從一個點光源產(chǎn)生一個探測光束和一個參考光束;(b)產(chǎn)生參考光束的反對稱空間性質(zhì);(c)通過把探測光束變成一個在焦像點,產(chǎn)生一個在焦返回探測光束;(d)產(chǎn)生在焦返回探測光束的反對稱空間性質(zhì);(e)使參考光束與一個來自離焦像點的光束發(fā)生干涉;(f)使參考光束與在焦返回探測光束發(fā)生干涉;(g)用一個單像素探測器探測i.參考光束,探測量為參考光束振幅的平方;ii.在焦返回探測光束,探測量為返回參考光束與該在焦返回探測光束之間的一個干涉項,其中離焦像光束的振幅與返回參考光束的振幅之間的干涉項的幅度被明顯地減小,由此減小了單象素探測器所產(chǎn)生數(shù)據(jù)中的統(tǒng)計誤差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中來自離焦像點的光束是一個離焦返回探測光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中,步驟(a)包括分別從多個點產(chǎn)生多個探測光束和多個參考光束,其中多個點組成了一個線光源;并且步驟(d)包括分別用多個相應(yīng)的單像素探測器探測各個參考光束和各個相應(yīng)的在焦返回探測光束。
4.一種把在焦像從離焦像區(qū)分出來的方法,它包括以下步驟(a)移動由一個點光源所產(chǎn)生的一個光束的多個部分的相位,以產(chǎn)生一個反對稱的相移第一光束;(b)把相移第一光束分解成一個參考光束和一個反對稱探測光束;(c)移動反對稱探測光束的多個部分的相位,以產(chǎn)生一個對稱相移探測光束;(d)把對稱相移探測光束成像為一個在焦點,在焦點處的物體材料反射和/或散射和/或透射該對稱相移光束,產(chǎn)生一個在焦對稱返回探測光束;(e)移動在焦對稱返回探測光束的多個部分的相位,以產(chǎn)生一個相移在焦反對稱返回探測光束;(f)把參考光束成像到一個位于一個在焦像平面中的參考反射鏡上,并使之反射以產(chǎn)生一個返回參考光束;(g)使返回參考光束與相移在焦返回探測光束發(fā)生干涉,以產(chǎn)生一個代表在焦點處的物體材料的干涉光束,并使該干涉光束成像在一個單探測器像素上的一個在焦像點上;(h)對稱相移探測光束的一部分被一個離焦像平面處的物體材料反射和/或散射和/或透射,產(chǎn)生一個離焦非反對稱返回探測光束;以及(i)移動離焦非反對稱返回探測光束的多個部分的相位,以產(chǎn)生一個相移離焦非反對稱返回探測光束,并使相移離焦非反對稱返回探測光束與返回參考光束發(fā)生干涉,以造成離焦非反對稱返回探測光束的大部分在單探測器像素處被抵消,由此基本消除來自物體材料的離焦光的影響。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法,包括利用同一個移相器來實現(xiàn)步驟(e)和(i)中所述的移相。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法,包括利用不同的移相器來實現(xiàn)步驟(e)和(i)中所述的移相。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的方法,它還包括以下步驟(a)移動參考光束的多個部分的相位,以產(chǎn)生一個對稱參考光束;(b)把對稱參考光束成像在位于一個在焦像平面處的參考反射鏡上,并使之反射以產(chǎn)生一個對稱返回參考光束;以及(c)移動對稱返回參考光束的多個部分的相位,以產(chǎn)生一個相移反對稱返回參考光束。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法,它還包括測量由單探測器像素所產(chǎn)生的一個第一輸出信號,該第一輸出信號代表一個第一強(qiáng)度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法,它包括(1)把每個參考光束和返回參考光束的多個部分的相位在由一個移相器所產(chǎn)生的初始相移量的基礎(chǔ)上移動總共π弧度,然后測量由單探測器像素所產(chǎn)生的一個第二輸出信號,該第二輸出信號代表一個第二強(qiáng)度,再把第一強(qiáng)度減去第二強(qiáng)度,以產(chǎn)生在焦對稱返回探測光束的振幅的一個第一分量的測量值,其中離焦非反對稱返回探測光束的光的影響已基本被抵消;(2)把每個參考光束和返回參考光束的多個部分的相位在初始相移量的基礎(chǔ)上移動總共π/2弧度,然后測量由單探測器像素所產(chǎn)生的一個第三輸出信號,該第三輸出信號代表一個第三強(qiáng)度;(3)把每個參考光束和對稱返回參考光束的多個部分的相位在初始相移量的基礎(chǔ)上移動總共3π/2弧度,然后測量由單探測器像素所產(chǎn)生的一個第四輸出信號,該第四輸出信號代表一個第四強(qiáng)度,再把第三強(qiáng)度減去第四強(qiáng)度,以產(chǎn)生在焦對稱返回探測光束的振幅的一個第二分量的測量值,其中離焦非反對稱返回探測光束的光的影響已基本被抵消,在焦返回探測光束的振幅的第一和第二分量一起代表了在焦對稱返回探測光束的復(fù)振幅。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法,包括用一個計算機(jī)來執(zhí)行步驟(1)至(3)。
11.根據(jù)權(quán)利要求4的方法,包括機(jī)械地移動物體材料以使得能在把物體材料中的另一部分置于在焦點處時執(zhí)行步驟(a)至(i)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的方法,包括機(jī)械地移動物體材料以使得能在把物體材料中的另一個部分置于在焦點處時執(zhí)行步驟(a)至(i)。
13.根據(jù)權(quán)利要求4的方法,包括從組成一個線光源的多個點光源產(chǎn)生光束,還包括分別對每個點光源和相應(yīng)的單探測器像素執(zhí)行步驟(a)至(i)。
14.一種用于把在焦像從離焦像區(qū)分開來的系統(tǒng),它包括以下各項的結(jié)合。(a)一個能產(chǎn)生一個光束的點光源;(b)一個設(shè)置在該光束光路中的第一移相器,它能移動該光束的多個部分的相位,以產(chǎn)生一個反對稱的相移第一光束;(c)一個設(shè)置在相移第一光束光路中的第一分束器,它能把相移第一光束分解成一個參考光束和一個反對稱探測光束;(d)一個設(shè)置在反對稱探測光束光路中的第二移相器,它能移動反對稱探測光束的多個部分的相位,以產(chǎn)生一個對稱相移探測光束;(e)一個設(shè)置在對稱相移探測光束光路中的第一光學(xué)成像器件,它能把對稱相移探測光束成像成一個在焦點,該在焦點處的物體材料將反射和/或散射和/或透射對稱相移光束,產(chǎn)生一個在焦對稱返回探測光束;(f)一個設(shè)置在在焦對稱返回探測光束光路中的移相器,它能夠移動在焦對稱返回探測光束的多個部分的相位,以產(chǎn)生一個相移在焦反對稱返回探測光束;(g)一個設(shè)置在參考光束光路中的第二光學(xué)成像器件,它能把該反對稱的參考光束成像到一個位于一個在焦像平面中的參考反射鏡上,后者將反射該成像光束,產(chǎn)生一個返回參考光束;(h)一個第三光學(xué)成像器件,它能使返回參考光束與相移在焦反對稱返回探測光束發(fā)生干涉,以產(chǎn)生一個代表在焦點處的物體材料的干涉光束,并使該干涉光束成像在一個單探測器像素上的一個像點上;(i)對稱相移探測光束的一個部分被一個離焦像平面處的物體材料反射和/或散射和/或透射,產(chǎn)生一個離焦返回探測光束;以及(j)第二移相器能移動離焦返回探測光束的多個部分的相位,產(chǎn)生一個相移離焦非反對稱返回探測光束,第三光學(xué)成像系統(tǒng)器件能使相移離焦非反對稱返回探測光束與在焦返回參考光束發(fā)生干涉,造成離焦非反對稱返回探測光束的大部分在單探測器像素處被抵消,由此基本消除來自物體材料的離焦光的影響。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng),其中設(shè)置在在焦對稱返回探測光束光路中的移相器是第二移相器。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng),其中設(shè)置在在對焦對稱返回探測光束光路中的移相器是除第二移相器以外的一移相器。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng),它包括(a)一個設(shè)置在參考光束光路中的第三移相器,它能移動參考光束的多個部分的相位,以產(chǎn)生一個對稱參考光束;(b)一個第二光學(xué)成像器件,它能把對稱參考光束成像到位于一個在焦像平面處的參考反射鏡上,后者將使之反射,產(chǎn)生一個對稱返回參考光束;以及(c)第三移相器,它能移動對稱返回參考光束的多個部分的相位,以產(chǎn)生一個相移反對稱返回參考光束。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的系統(tǒng),包括有一個能測量由單探測器像素所產(chǎn)生的一個第一輸出信號的計算裝置,其中改第一信號代表一個第一強(qiáng)度。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的系統(tǒng),包括有一個設(shè)置在參考光束和返回參考光束的光路中的移相器件,用來(1)把每個參考光束和返回參考光束的多個部分的相位在初始相移量的基礎(chǔ)上移動總共π弧度,然后測量由單探測器像素所產(chǎn)生的一個第二輸出信號,該第二輸出信號代表一個第二強(qiáng)度,(2)把每個參考光束和返回參考光束的多個部分的相位在初始相移量的基礎(chǔ)上移動總共π/2弧度,以及(3)把每個參考光束和對稱的返回參考光束的多個部分的相位在初始相移量的基礎(chǔ)上移動總共3π/2弧度。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的系統(tǒng),包括有一個計算裝置,用來(1)把第一強(qiáng)度減去第二強(qiáng)度,以產(chǎn)生在焦對稱返回探測光束的振幅的一個第一分量的測量值,其中離焦非反對稱返回探測光束的光的影響被基本抵消,(2)測量由單探測器像素所產(chǎn)生的一個第三輸出信號,該第三輸出信號代表一個第三強(qiáng)度,以及(3)測量由單探測器像素所產(chǎn)生的一個第四輸出信號,該第四輸出信號代表一個第四強(qiáng)度,然后把第三強(qiáng)度減去第四強(qiáng)度,產(chǎn)生在焦對稱返回探測光束的振幅的一個第二分量的測量值,其中離焦非反對稱返回探測光束的光的影響被基本抵消,在焦返回探測光束的振幅的第一和第二分量一起代表了在焦對稱返回探測光束的復(fù)振幅。
21.根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng),包括有一個能把物體材料移動到使物體材料的另一個部分位于在焦點的位置處的機(jī)械移動器。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的系統(tǒng),包括有一個與計算裝置相耦合并能把物體材料移動到使物體材料的另一個部分位于在焦點的位置處的機(jī)械移動器。
23.根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng),其中該光束來自組成了一個線光源的多個點光源中的一個點光源,該系統(tǒng)包括有分別對應(yīng)于每個點光源的多個單探測器像素。
24.一種把在焦像從離焦像區(qū)分開來的方法,它包括以下步驟(a)把一個第一光束分解成一個參考光束和一個探測光束;(b)把探測光束成像成一個在焦點,該在焦點處的物體材料將透射該光束,產(chǎn)生一個在焦透射探測光束;(c)移動在焦透射探測光束的多個部分的相位,以產(chǎn)生一個相移在焦反對稱透射探測光束;(d)把參考光束成像到一個在焦像點上,并使之透射以產(chǎn)生一個返回參考光束;(e)移動參考光束的多個部分的相位,以產(chǎn)生一個相移反對稱參考光束;(f)使相移反對稱返回參考光束與相移在焦反對稱探測光束發(fā)生干涉,以產(chǎn)生一個代表在在焦點處的物體材料的干涉光束,并使該干涉光束成像在一個單探測器像素上的一個像點上。(g)探測光束的一部分被一個離焦像點處的物體材料透射,產(chǎn)生一個離焦透射探測光束;以及(h)移動離焦透射探測光束的多個部分的相位,以產(chǎn)生一個相移離焦非反對稱透射探測光束,并使相移離焦非反對稱透射探測光束與在焦反對稱參考光束發(fā)生干涉,造成離焦非反對稱透射探測光束的大部分在單探測器像素處被抵消,由此基本消除來自物體材料的離焦光的影響。
25.一種用來把在焦像從離焦像區(qū)分開來的系統(tǒng),它包括以下各項的的結(jié)合。(a)一個能產(chǎn)生一個第一光束的點光源;(b)一個設(shè)置在第一光束光路中的第一分束器,它能把第一光束分解成一個參考光束和一個探測光束;(c)一個第一光學(xué)成像器件,它能把探測光束成像成一個在焦點,其中在焦點處的物體材料透射該光束并產(chǎn)生一個在焦透射探測光束;(d)一個設(shè)置在在該焦透射探測光束光路中的第一移相器,它能夠移動在焦透射探測光束的多個部分的相位,以產(chǎn)生一個相移在焦反對稱透射探測光束;(e)一個第二光學(xué)成像器件,它能把參考光束成像到一個在焦像點上,并使之透射以產(chǎn)生一個返回參考光束;(f)一個設(shè)置在參考光束光路中的第二移相器,它能移動參考光束的多個部分的相位,以產(chǎn)生一個相移反對稱參考光束;(g)一個第三光學(xué)成像器件,它能使相移反對稱返回參考光束與相移在焦反對稱探測光束發(fā)生干涉,以產(chǎn)生一個代表在焦點處的物體材料的干涉光束,然后使該干涉光束成像到單探測器像素上的一個像點上。(h)探測光束的一部分被一個離焦像點處的物體材料透射,產(chǎn)生一個離焦透射探測光束;以及(i)第二移相器能移動離焦透射探測光束的多個部分的相位,產(chǎn)生一個相移離焦非反對稱透射探測光束,第三光學(xué)成像器件能使相移離焦非反對稱透射探測光束與在焦反對稱參考光束發(fā)生干涉,造成離焦非反對稱透射探測光束的大部分在單探測器像素處被抵消,由此基本消除來自物體材料的離焦光的影響。
26.一種把在焦像從離焦像區(qū)分開來的方法,它包括以下步驟(a)移動由一個點光源所產(chǎn)生的一個光束的多個部分的相位,以產(chǎn)生一個反對稱相移第一光束,使得當(dāng)把該反對稱相移第一光束引導(dǎo)到一個平面中的一個焦點上時,其在該平面中的振幅分布將對于一個像的中心至少沿著該平面中的一個軸是反對稱的;(b)把相移第一光束分解成一個反對稱參考光束和一個反對探測光束;(c)移動反對稱探測光束的多個部分的相位以產(chǎn)生一個對稱相移探測光束,使得當(dāng)把該對稱相移探測光束引導(dǎo)到一個平面中的一個焦點上時,其在該平面中的振幅分布將相對于像的中心是對稱的。(d)把對稱相移探測光束成像成一個在焦點,該在焦點處的物體材料將反射和/或散射對稱相移光束,產(chǎn)生一個在焦名義上對稱的返回探測光束;(e)移動在焦名義上對稱的返回探測光束的多個部分的相位,以產(chǎn)生一個相移在焦名義上反對稱的返回探測光束;(f)把對稱參考光束成像到一個在焦像平面中的一個參考反射鏡中,并使參考反射鏡反射該光束以產(chǎn)生一個在焦反對稱返回參考光束;(g)使相移在焦反對稱返回參考光束與相移在焦名義上反對稱的返回探測光束發(fā)生干涉,以產(chǎn)生一個代表在焦點處的物體材料的干涉光束,然后把該干涉光束成像到一個單探測器像素上的一個在焦像點上;(h)對稱相移探測光束的一部分被一個離焦點處的物體材料反射和/或散射,產(chǎn)生一個離焦名義上對稱的返回探測光束;以及(I)移動離焦名義上對稱的返回探測光束的多個部分的相位,以產(chǎn)生一個相移離焦非反對稱返回探測光束,并使相移離焦非反對稱返回探測光束與相移在焦反對稱返回參考光束發(fā)生干涉,造成離焦非反對稱返回探測光束的大部分在單探測器像素處被抵消,由此基本消除來自物體材料的離焦光的影響。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的方法,包括測量由單探測器像素所產(chǎn)生的一個第一輸出信號,該第一信號代表一個第一強(qiáng)度。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法,包括(1)把每個反對稱參考光束和相移在焦反對稱返回參考光束的多個部分的相位在由一個移相器所產(chǎn)生的初始相移量的基礎(chǔ)上移動總共π弧度,然后測量由單探測器像素所產(chǎn)生的一個第二輸出信號,該第二輸出信號代表一個第二強(qiáng)度,再把第一強(qiáng)度減去第二強(qiáng)度,產(chǎn)生在焦對稱返回探測光束的振幅的一個第一分量的測量值,其中離焦非反對稱返回探測光束的光的影響已被基本抵消;(2)把每個反對稱參考光束和相移在焦反對稱返回參考光束的多個部分的相位在初始相移量的基礎(chǔ)上移動總共π/2弧度,然后測量由單探測器像素所產(chǎn)生的一個第三輸出信號,該第三輸出信號代表一個第三強(qiáng)度;(3)把每個反對稱參考光束和相移在焦反對稱返回參考光束的多個部分的相位在初始相移量的基礎(chǔ)上移動總共3π/2弧度,然后測量由單探測器像素所產(chǎn)生的一個第四輸出信號,該第四輸出信號代表一個第四強(qiáng)度,再把第三強(qiáng)度減去第四強(qiáng)度,產(chǎn)生在焦對稱返回探測光束的振幅的一個第二分量的測量值,其中相移離焦非反對稱返回探測光束的光的影響被基本抵消。在焦返回探測光束的振幅的第一和第二分量一起代表了在焦對稱返回探測光束的復(fù)振幅。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的方法,包括用一個計算機(jī)執(zhí)行步驟(1)至(3)。
30.根據(jù)權(quán)利要求26的方法,包括機(jī)械地移動物體材料以使得能在把物體材料中的另一個部分置于在焦點處時執(zhí)行步驟(a)至(i)。
31.根據(jù)權(quán)利要求28的方法,包括機(jī)械地移動物體材料以使得能在把物體材料中的另一個部分置于在焦點處時執(zhí)行步驟(a)至(i)。
32.根據(jù)權(quán)利要求26的方法,它包括從組成了一個線光源的多個點光源產(chǎn)生光束,該方法包括分別對每個點光源和相應(yīng)的單探測器像素執(zhí)行步驟(a)至(i)。
33.一種用于把在焦像從離焦像區(qū)分開來的系統(tǒng),它包括以下各項的結(jié)合(a)一個能產(chǎn)生一個光束的點光源;(b)一個設(shè)置在該光束光路中的第一移相器,它能移動該光束的多個部分的相位,以產(chǎn)生一個反對稱相移第一光束,使得當(dāng)該反對稱相移光束被導(dǎo)引到一個平面中的一個焦點處時,其在該平面中的振幅分布將對于一個像的中心至少沿著平面中的一個軸是反對稱的;(c)一個設(shè)置在相移第一光束光路中的第一分束器,它能把相移第一光束分解成一個反對稱參考光束和一個反對稱探測光束;(d)一個設(shè)置在反對稱探測光束光路中的第二移相器,它能移動反對稱探測光束的多個部分的相位,產(chǎn)生一個對稱相移探測光束,使得當(dāng)該對稱相移光束被導(dǎo)引到一個平面中的一個焦點處時,其在該平面中的振幅分布將對于像的中心是對稱的。(e)一個設(shè)置在對稱相移探測光束光路中的第一光學(xué)成像器件,它能把對稱相移探測光束成像成一個在焦點,該在焦點處的物體材料將反射和/或散射和/或透射該對稱相移光束,產(chǎn)生一個在焦名義上對稱的返回探測光束;(f)一個設(shè)置在在焦名義上對稱的返回探測光束光路中的移相器,它能移動在焦名義上對稱的返回探測光束的多個部分的相位,產(chǎn)生一個相移在焦名義上反對稱的返回探測光束;(g)一個設(shè)置在反對稱參考光束光路中的第三移相器,它能移動反對稱參考光束的多個部分的相位,產(chǎn)生一個對稱參考光束;(h)一個設(shè)置在對稱參考光束光路中的第二光學(xué)成像器件,它能把對稱參考光束成像到一個在焦像平面中的一個參考反射鏡上,并使之發(fā)生反射,產(chǎn)生一個在焦對稱返回參考光束;(i)第三移相器能移動在焦對稱返回參考光束的多個部分的相位,產(chǎn)生一個相移在焦反對稱返回參考光束;(j)一個第三光學(xué)成像器件,它能使相移在焦反對稱返回參考光束與相移在焦名義上反對稱的返回探測光束發(fā)生干涉,產(chǎn)生一個代表在焦點處的物體材料的干涉光束,并使干涉光束成像到一個單探測器像素上的一個像點上;(k)對稱相移探測光束的一部分被在一個離焦點處的物體材料反射和/或散射,產(chǎn)生一個離焦名義上對稱的返回探測光束;以及(l)第二移相器能移動離焦名義上對稱的返回探測光束的多個部分的相位,產(chǎn)生一個相移離焦非反對稱返回探測光束,第三光學(xué)成像系統(tǒng)器件能使相移離焦非反對稱返回探測光束與相移在焦反對稱返回參考光束發(fā)生干涉,造成離焦非反對稱返回探測光束的大部分在單探測器像素處被抵消,由此基本上消除來自物體材料的離焦光的影響。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的系統(tǒng),包括一個計算裝置,該裝置能測量由單探測器像素所產(chǎn)生的一個第一輸出信號,該第一信號代表一個第一強(qiáng)度。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的系統(tǒng),包括有一個設(shè)置在參考光束和返回參考光束的光路中的移相器件,用來(1)把每個反對稱參考光束和相移在焦反對稱返回參考光束的多個部分的相位在一個初始相移量的基礎(chǔ)上移動總共π弧度,然后測量由單探測器像素所產(chǎn)生的一個第二輸出信號,該第二輸出信號代表一個第二強(qiáng)度。(2)把每個反對稱參考光束和相移在焦反對稱返回參考光束的多個部分的相位在初始相移量的基礎(chǔ)上移動總共π/2弧度,以及(3)把各個反對稱參考光束和相移在焦反對稱返回參考光束的多個部分的相位在初始相移量的基礎(chǔ)上移動總共3π/2弧度。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的系統(tǒng),包括有一個計算裝置,用來(1)把第一強(qiáng)度減去第二強(qiáng)度,以產(chǎn)生在焦名義上對稱的返回探測光束的振幅的一個第一分量的測量值,其中離焦非反對稱返回探測光束的光的影響被基本抵消,(2)測量由單探測器像素所產(chǎn)生的一個第三輸出信號,該第三輸出信號代表一個第三強(qiáng)度,以及(3)測量由單探測器像素所產(chǎn)生的一個第四輸出信號,該第四輸出信號代表一個第四強(qiáng)度,把第三強(qiáng)度減去第四強(qiáng)度,產(chǎn)生在焦名義上對稱的返回探測光束的振幅的一個第二分量的測量值,其中相移離焦非反對稱返回探測光束的光的影響已被基本抵消,在焦返回探測光束的振幅的第一和第二分量一起代表在焦名義上對稱的返回探測光束的復(fù)振幅。
37.根據(jù)權(quán)利要求33的系統(tǒng),包括有一個機(jī)械移動器,該移動器能移動物體材料以把物體材料的另一個部分放置到在焦點處。
38.根據(jù)權(quán)利要求36的系統(tǒng),包括有一個與計算裝置相耦合并能移動物體材料以把物體材料的另一部分放置到在焦點處的機(jī)械移動器。
39.根據(jù)權(quán)利要求33的系統(tǒng),其中該光束來自組成了一個線光源的多個點光源中的一個點光源,該系統(tǒng)含有分別對應(yīng)于每個點光源的多個單探測器像素。
全文摘要
一個系統(tǒng)在測量在焦像時能把在焦像從離焦像分離出來,從而既減小了系統(tǒng)誤差又減小了統(tǒng)計誤差。該系統(tǒng)從一個點光源(10)產(chǎn)生一個探測光束(P22B)和一個參考光束(R22B),并在參考光束(R22B)中產(chǎn)生反對稱的空間性質(zhì)。作為把探測光束(P22B)導(dǎo)引成一個在焦像點(28)的結(jié)果,產(chǎn)生了一個在焦返回探測光束(P32A),然后在在焦返回探測光束(P32B)中產(chǎn)生反對稱的空間性質(zhì)。使參考光束(R32C)與一個來自一個離焦像點(58)的光束發(fā)生干涉,還使參考光束(R32C)與在焦返回光束(P32C)發(fā)生干涉。參考光束(R32D)被一個單像素探測器(114)以參考光束(R32D)的振幅的平方的形式探測,在焦返回探測光束(P32D)被探測器(114)以返回參考光束(R32D)與在焦返回探測光束(P32D)之間的一個干涉項的形式探測。離焦像光束(B52D)的振幅被大為減小,結(jié)果同時減小了由探測器(114)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)中的系統(tǒng)誤差和統(tǒng)計誤差。在所說明的實施例中,來自離焦像點(58)的光束是離焦返回探測光束(B52D)。
文檔編號G01B9/02GK1249810SQ98802979
公開日2000年4月5日 申請日期1998年1月22日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月28日
發(fā)明者亨利·A·希爾 申請人:探索研究院
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