[发明专利]一种基于光镊介质微球的超分辨三维形貌测量方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于光学测量工程的技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明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。

本发明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。