微型大视场超分辨显微成像装置

技术领域

本发明涉及光学元件，特别是一种用于光学元件亚表面缺陷检测的微型大视场超分辨显微成像装置。

背景技术

随着科学技术的不断进步，生物医学、高能激光、超精密加工领域开始对亚微米尺度的微结构进行观测与分析，从而对显微技术的发展提出了更高的要求。然而，由于衍射极限的存在，常规光学显微技术的分辨率一般被限制在半波长左右，无法满足对更小尺度目标观测的需求。虽然随着扫描电镜、扫描隧道显微镜及原子力显微镜等技术的出现，实现纳米量级的分辨率已经成为可能，但是以上这些技术对样品的破坏性较大，只能观测样品表面，对环境要求苛刻，测量效率低，其适用范围具有很大的局限性。另外，近年来发展起来的受激发射损耗、单分子随机重构、结构光照明显微等超分辨成像技术，虽然成像分辨率也能达到数百甚至数十纳米，但此类检测设备大都造价昂贵、体积庞大、检测效率极低且需要借助荧光分子成像，多用于生物医学领域。因此，急需发展一种具有超大成像视场的微型超分辨检测方法，解决将超分辨显微技术应用到工业检测中的难题。

超分辨显微技术包含众多技术子项。基于结构光照明的超分辨显微技术是其中的一个技术子项，其原理是通过在样本本身或其图像上叠加明确定义的图案来修饰照明光，对所得图像应用计算技术以去除结构光照明的影响，并获得预期的高质量图像。目前，为了得到高对比度的成像效果，多采用基于双光束干涉的方式产生结构照明光，但是现有的基于±1级干涉形成结构照明光的超分辨显微成像技术普遍存在以下缺点：

1.余弦结构照明光的空间频率受限于显微物镜的数值孔径，导致基于线性结构光照明的超分辨显微成像技术最大只能将传统光学显微系统的成像分辨率提高一倍。

2.干涉式的结构光照明超分辨显微系统，由于需要得到两束光学性质近乎相同且实时调控的干涉照明光，导致成像系统光路复杂且体积庞大，使得工业嵌入性极差。

3.受限于高分辨率和大成像视场之间的矛盾，超分辨显微成像技术成像视场往往很小，检测效率极低，不便于大口径元件检测。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于光学元件亚表面缺陷检测的微型大视场超分辨显微成像装置，该装置在实现超分辨显微成像的过程中，将极大地缩小装置的体积，且最大程度的提升超分辨检测系统的分辨率和检测效率，同时具备优良的可移植性，可方便的地嵌入到被检系统中。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于光学元件亚表面缺陷检测的微型大视场超分辨显微成像装置，其特点在于，包括光纤激光器、单模保偏光纤、偏振控制器、1×4MEMS光开关、两个1×2光纤耦合器、5个光纤准直头、大视场显微物镜、成像透镜、科学相机、工作台、精密位移平台，所述的5个光纤准直头通过机械固定装置固定在所述的工作台上，5个光纤准直头分别输出对应水平余弦结构照明、竖直余弦结构照明和普通宽场照明光通过所述的工作台上的观察孔对称地照射在所述的精密位移平台上的样品表面形成干涉，在所述的观察孔的正上方自下而上依次设置所述的大视场显微物镜、成像透镜和科学相机，所述的光纤激光器输出的激光通过所述的单模保偏光纤经所述的偏振控制器进行激光偏振态及初始相位的调整，再经过所述的1×4MEMS光开关分为0°、90°、60°三种激光通过光纤输出，所述的00、900激光各经一个1×2光纤耦合器等比分为二束，通过所述的光纤准直头将两束照明激光经工作台观察孔对称地照射在所述的样品表面进行干涉，所述的600激光直接通过所述的光纤准直头经工作台观察孔照射在所述的样品表面，分别形成水平余弦结构照明、竖直余弦结构照明和普通宽场照明光；所述的大视场显微物镜用以接收所述结构照明光经样品表面调制后的散射光，通过所述的成像透镜在科学相机中完成最终散射成像信号收集。

所述激光光源为短波长单纵模光纤激光器。

所述的保偏光纤通过法兰盘与所述激光光源以及所述MEMS光开关连接。

所述的保偏光纤贯穿所述偏振控制器。

所述的光开光经编程实现3路光路依固定频率顺序切换，分别对应水平余弦结构照明光、竖直余弦结构照明光和普通宽场照明光。

所述的光开光空闲一路用于多方向结构光照明拓展。

所述的光纤耦合器共两个，分别对应水平余弦结构照明、竖直余弦结构照明，用于产生两路完全相同的干涉光源。

所述的光纤准直头共5(2水平+2竖直+1普通照明60°)个，分别对应水平、竖直余弦结构照明和普通宽场照明光。

所述的光纤准直头以所述的显微物镜轴线为圆心沿其圆周方向按预设方向对称分布。

所述各光纤准直头通过环形机械调节装置进行固定，可实现对所述各光纤准直头整体实现等幅度同位移调控。

所述的光纤准直头预设三个照明角度，对应三种不同的数值孔径，即用以产生三种不同空间频率的结构照明光。

所述的显微物镜具有大的成像视场、长的工作距离和较大的数值孔径。

所述的显微物镜、所述的成像透镜和所述的科学相机通过1英寸笼式结构连接，形成统一的显微成像模块。

所述的精密位移平台可实现在X、Y和Z三方向移动，且Z方向上的移动精度达到亚微米级以上。

本发明的有益效果如下：

利用本发明的微型大视场超分辨显微成像装置，在实现超分辨显微成像的过程中，将极大地缩小装置的体积，且最大程度的提升超分辨检测系统的分辨率和检测效率，同时具备优良的可移植性，可以很方便的嵌入到被检系统中。

本发明通过控制超分辨显微系统工作台下方的精密位移平台实现对样品表面缺陷的局部测量或全局扫描。

附图说明

图1为本发明微型大视场超分辨显微成像装置示意图。

图2为本发明实施例一路光纤准直头机械调节装置部分示意图及大致调节过程。

图3是固定光纤准直头的环形机械调节装置示意图

图4(a1)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA1、照明方向为0°、相位为

图4(b1)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA1、照明方向为0°、相位为

图4(c1)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA1、照明方向为0°、相位为

图4(d1)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA1、照明方向为90°、相位为

图4(e1)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA1、照明方向为90°、相位为

图4(f1)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA1、照明方向为90°、相位为

图4(a2)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA2、照明方向为0°、相位为

图4(b2)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA2、照明方向为0°、相位为

图4(c2)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA2、照明方向为0°、相位为

图4(d2)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA2、照明方向为90°、相位为

图4(e2)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA2、照明方向为90°、相位为

图4(f2)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA2、照明方向为90°、相位为

图4(a3)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA3、照明方向为0°、相位为

图4(b3)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA3、照明方向为0°、相位为

图4(c3)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA3、照明方向为0°、相位为

图4(d3)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA3、照明方向为90°、相位为

图4(e3)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA3、照明方向为90°、相位为

图4(f3)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA3、照明方向为90°、相位为

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，由图可见，本发明一种用于光学元件亚表面缺陷检测的微型大视场超分辨显微成像装置，包括光纤激光器1、单模保偏光纤2、偏振控制器3、1×4MEMS光开关4、两个1×2光纤耦合器5、5个光纤准直头6、大视场显微物镜7、成像透镜8、科学相机9、工作台10和精密位移平台11，所述的5个光纤准直头6通过机械固定装置固定在所述的工作台10上，5个光纤准直头6分别输出对应水平余弦结构照明、竖直余弦结构照明和普通宽场照明光通过所述的工作台10上的观察孔对称地照射在所述的精密位移平台11上的样品表面形成干涉，在所述的观察孔的正上方自下而上依次设置所述的大视场显微物镜7、成像透镜8和科学相机9，所述的光纤激光器1输出的激光通过所述的单模保偏光纤2经所述的偏振控制器3进行激光偏振态及初始相位的调整，再经过所述的1×4MEMS光开关4通过所述的光纤准直头6经工作台观察孔照射在所述的样品表面，分别形成水平余弦结构照明、竖直余弦结构照明和普通宽场照明光；所述的大视场显微物镜7用以接收所述结构照明光经样品表面调制后的散射光，通过所述的成像透镜8在科学相机9中完成最终散射成像信号收集。

所述激光光源1为短波长单纵模光纤激光器。

所述的保偏光纤2通过法兰盘与所述激光光源1以及所述的1×4MEMS光开关4连接。

所述的保偏光纤2贯穿所述偏振控制器3。

所述的1×4MEMS光开光4经编程实现3路光路依固定频率顺序切换，分别对应水平余弦结构照明光、竖直余弦结构照明光和普通宽场照明光。

所述的光纤准直头6以所述的显微物镜7轴线为圆心沿其圆周方向按预设方向对称分布。

所述各光纤准直头6通过环形机械调节装置进行固定，可实现对所述各光纤准直头6整体实现等幅度同位移调控。

所述的光纤准直头6预设三个照明角度，对应三种不同的数值孔径，即用以产生三种不同空间频率的结构照明光。

所述的显微物镜7具有大的成像视场、长的工作距离和较大的数值孔径，所述的显微物镜7、所述的成像透镜8和所述的科学相机9通过笼式结构连接。

所述的精密位移平台11可实现在X、Y和Z三方向移动，且Z方向上的移动精度达到亚微米级以上。

图2为本发明一路光纤准直头机械调节装置部分示意图及大致调节过程。

图3是固定光纤准直头的环形机械调节装置示意图

图4(a1)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA1、照明方向为0°、相位为

图4(b1)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA1、照明方向为0°、相位为

图4(c1)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA1、照明方向为0°、相位为

图4(d1)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA1、照明方向为90°、相位为

图4(e1)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA1、照明方向为90°、相位为

图4(f1)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA1、照明方向为90°、相位为

图4(a2)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA2、照明方向为0°、相位为

图4(b2)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA2、照明方向为0°、相位为

图4(c2)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA2、照明方向为0°、相位为

图4(d2)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA2、照明方向为90°、相位为

图4(e2)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA2、照明方向为90°、相位为

图4(f2)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA2、照明方向为90°、相位为

图4(a3)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA3、照明方向为0°、相位为

图4(b3)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA3、照明方向为0°、相位为

图4(c3)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA3、照明方向为0°、相位为

图4(d3)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA3、照明方向为90°、相位为

图4(e3)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA3、照明方向为90°、相位为

图4(f3)为本发明实施例提供的微型大视场超分辨显微成像装置在照明光数值孔径为NA3、照明方向为90°、相位为

实验表明，本发明微型大视场超分辨显微成像装置，在实现超分辨显微成像的过程中，将极大地缩小装置的体积，且最大程度的提升超分辨检测系统的分辨率和检测效率，同时具备优良的可移植性，可方便地嵌入到被检系统中。