CN106248692A - 一种显微成像景深延拓的方法及显微成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于光学元件疵病检测中显微成像景深延拓的方法，所述方法包括：在显微成像装置中加入波前编码板；根据显微成像装置的物镜的倍率对加入波前编码板后的光线入射角度进行分析；根据景深延拓及适应不同倍率显微物镜成像的要求，对波前编码板位相函数进行改进优化与分析；确定设计的波前编码板的最优化的设计参数；以及根据优化后的设计参数对波前编码板进行设置，通过所述具有最优化设计参数的波前编码板延拓显微成像装置的景深。本发明还提供一种显微成像装置。通过本发明的方法及显微成像装置，可以显著地延拓显微成像装置的景深并且适用于不用倍率显微物镜，满足了高精度光学元件疵病检测的需求。

Description

一种显微成像景深延拓的方法及显微成像装置
技术领域
本发明属于光学成像领域，涉及一种用于光学元件疵病检测中对不同倍率的显微镜成像的景深进行延拓的方法及显微成像装置。
背景技术
随着光学元件表面高精度的趋势，当高精度光学元件表面有疵病等时，会较大程度地影响成像质量，造成不必要的散射与衍射，进而造成能量损失，对于大口径望远镜、国家点火装置、光刻物镜等，尤其会造成很大能量损失。因此，有必要对平面光学元件在终检过程中进行其表面疵病的检测，数字化评估其疵病特征，进而为高精度光学加工提供指导数据。而对于高精度光刻投影物镜、国家点火装置中，有越来越多的球面和非球面需要高精度的疵病检测。
随着光学元件表面高精度的趋势，当高精度光学元件表面有疵病等时，对于大口径望远镜、国家点火装置、光刻物镜等，会造成很大能量损失。而在大口径球面和非球面的疵病检测过程中，由于存在对焦困难，受工件台运动轨迹误差的存在，加上对于微米量级疵病的测量需要高倍显微镜头，焦深在几个微米，很容易出现对焦模糊或者离焦的情况出现，这远远限制了高精度球面与非球面光学元件疵病检测。即使景深问题可以解决，但是由于在成像过程中，成像***需要使用不同倍率的显微物镜，方便检测曲率半径较大或者平面的光学元件表面疵病，然而，现有的检测方法，一定程度上难以适用于不同倍率显微物镜的成像***/装置。
发明内容
为了解决目前通过显微成像技术测量球面和非球面光学元件表面疵病过程中，出现的对焦困难、离焦以及难以适用于不同倍率显微物镜等问题，本发明提出一种显微成像景深延拓的方法及显微成像装置来解决上述问题。
一方面，提供一种用于光学元件疵病检测中显微成像景深延拓的方法，所述方法包括：在显微成像装置中加入波前编码板；根据显微成像装置中物镜的倍率对加入波前编码板后的光线入射角度进行分析；根据景深延拓及适应不同倍率显微物镜成像的要求，对波前编码板位相函数进行改进优化与分析；确定设计的波前编码板的最优化的设计参数；以及根据优化后的设计参数对波前编码板进行设置，通过所述具有最优化设计参数的波前编码板延拓显微成像装置的景深。
其中，所述步骤“在显微成像装置中加入波前编码”包括：在显微成像装置的物镜的光学路径上加入改进型非整数次幂型波前编码板。
其中，所述步骤“根据显微成像装置的物镜的倍率对加入波前编码板后的光线入射角度进行分析”包括：分析光线入射角度与波前编码板位相函数中的设计参数之间的变化关系；以及根据较佳的入射角度而确定波前编码板位相函数中较佳的设计参数；其中，所设计的波前编码板位相函数的表达式为：
Ψ(x,y)＝α(x3+y3)+β(x2y+y2x)
x,y为物体的成像光瞳面的空间坐标，α,β为所述设计参数。
其中，所述步骤“所述根据光学***景深延拓及适应不同倍率显微物镜成像的要求，对波前编码板位相函数进行改进优化与分析包括：根据所需延拓的景深范围以及显微物镜的倍数确定离焦位置，利用傅里叶变换计算在各个离焦位置的调制传递函数，并通过抑制函数选取其中满足条件的系数组合，进而结合优化函数得到最优的设计参数。
其中，所述最优的设计参数为α＝171.31,β＝1.52。
其中，所述方法还包括步骤：在确定波前编码板的的最优设计参数后，通过计算机模拟仿真，对具有不同倍率显微物镜的显微成像装置是否添加波前编码板的成像结果进行对比。
其中，所述步骤“在确定波前编码板的的最优设计参数后，通过计算机模拟仿真，对具有不同倍率显微物镜的显微成像装置是否添加波前编码板的成像结果进行对比”包括：进行计算机成像仿真显微成像装置，分别采用具有第一倍率显微物镜、第二倍率显微物镜的显微成像装置，对应的NA(数值孔径)数均为0.2，目标物体设置为具有不同空间频率分划线的分辨率测试板，分别对具有第一倍率显微物镜、第二倍率显微物镜的显微成像装置添加波前编码板以及未添加波前编码板的成像结果进行对比。
另一方面，还提供一种显微成像装置，所述显微成像装置包括物镜以及波前编码板，所述波前编码板位于物镜的光学路径上。
其中，所述波前编码板为改进型非整数次幂型波前编码板，所加入的波前编码器具有与物镜的倍率相对应的最优参数，所述最优参数为波前编码板位相函数的最优设计参数，所述波前编码板位相函数的表达式为：
Ψ(x,y)＝α(x3+y3)+β(x2y+y2x)
其中，x,y为物体的成像光瞳面的空间坐标，α,β为设计参数。
其中，最优参数为通过加入波前编码板后的光线入射角度进行分析，然后根据景深延拓及适应不同倍率显微物镜成像的要求，对波前编码板位相函数进行改进优化与分析得到的。
本发明的显微成像景深延拓的方法及显微成像装置，通过简单的结构实现了景深延拓的目的，解决了球面与非球面光学元件对焦难、景深小、容易离焦以及难以适应不同倍率显微目镜的问题，满足了高精度球面与非球面光学元件表面疵病检测的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的明显变形方式。
图1为本发明一实施方式中的显微成像景深延拓的方法的流程图；
图2为本发明另一实施方式中的显微成像景深延拓的方法的流程图；
图3为本发明一实施方式中显微成像装置添加波前编码板前后的性能对比图；
图4为本发明一实施方式中的显微成像装置中的部分元件示意图；
图5为本发明一实施方式中加入了波前编码板的显微成像装置的光线入射角度示意图；
图6为本发明一实施方式中显微成像装置中所加入的波前编码板的位相图。
具体实施例
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
请参阅图1，为一种显微成像景深延拓的方法的流程图，所述方法用于光学元件疵病检测中的显微成像的景深延拓，特别用于具有不同倍率显微物镜的显微成像中的景深延拓，所述方法步骤如下：
步骤S101：在显微成像装置中加入波前编码板。其中，所述在显微成像装置中加入波前编码板为在显微成像装置的物镜的光学路径上加入所述波前编码板。具体为在物镜的后方加入所述波前编码板。其中，所述加入的波前编码板为改进型非整数次幂型波前编码板。
步骤S103：根据显微成像装置的物镜的倍率对加入波前编码板后的光线入射角度进行分析。具体的，所述对加入波前编码板后的光线入射角度进行分析包括：分析光线入射角度与波前编码板位相函数中的设计参数之间的变化关系。其中，所设计的波前编码板位相函数的表达式为：
Ψ(x,y)＝α(x3+y3)+β(x2y+y2x) 式(1)
在式(1)中，x,y为物体的成像光瞳面的空间坐标，α,β为设计参数。所述对加入波前编码板后的光线入射角度进行分析还包括：分析光线入射角度与波前编码板位相函数中的设计参数之间的变化关系后，根据较佳的入射角度而确定波前编码板位相函数中较佳的设计参数。
步骤S105：根据景深延拓及适应不同倍率显微物镜成像的要求，对波前编码板位相函数进行改进优化与分析。具体的，所述根据光学***景深延拓及适应不同倍率显微物镜成像的要求，对波前编码板位相函数进行改进优化与分析包括：根据所需延拓的景深范围以及显微物镜的倍数确定离焦位置，利用傅里叶变换计算在各个离焦位置的调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)，并通过抑制函数PF选取其中满足条件的系数组合，进而结合优化函数MF得到最优的设计参数。
式(2)中，κ为抑制函数的权重，用于平衡景深延拓程度和空间频率损失程度，S.R.(W20,k)为离焦系数为k时的斯特列尔比。
抑制函数PF的作用是：由于成像***在加入波前编码板后，其光学传递函数OTF的值会随着空间频率的提高而急剧下降，因此，在优化中需要加入抑制函数，避免过度优化造成空间频率的损失，影响复原图像的分辨率。
式(3)中，uj和vi为在水平和垂直方向上第j和i个位置抽样得到的归一化空间频率，W20,k为所选取的第k个离焦系数，Std表示均方差函数，Mean表示求平均值函数。
步骤S107：确定设计的波前编码板的最优化的设计参数。具体的，确定设计的波前编码板的设计参数为α＝171.31,β＝1.52。
步骤S109：根据优化后的设计参数对波前编码板进行设置，通过所述具有优化的设计参数的波前编码板而延拓显微成像装置的景深。
请参阅图2，为另一实施方式中的显微成像景深延拓的方法的流程图。图2中的方法与图1的区别在于，在步骤S105后以及步骤S107前，还包括步骤：
S208：在确定波前编码板的的最优设计参数后，通过计算机模拟仿真，对具有不同倍率显微物镜的显微成像装置是否添加波前编码板的成像结果进行对比。
具体的，所述通过计算机模拟仿真，对具有不同倍率显微物镜的显微成像装置是否添加波前编码板的对比包括：进行计算机成像仿真显微成像装置，分别采用具有第一倍率显微物镜、第二倍率显微物镜的显微成像装置，对应的NA(数值孔径)数均为0.2，目标物体设置为具有不同空间频率分划线的分辨率测试板，分别对具有第一倍率显微物镜、第二倍率显微物镜的显微成像装置添加波前编码板以及未添加波前编码板的成像结果进行对比。
请一并参阅图3，如图3所示，以第一倍率为5X(5倍)以及第二倍率为20X为例进行说明。对于具有5X显微物镜的显微成像装置，在采用具有对应最优参数的波前编码板后，相对于未采用波前编码板的显微成像装置而言，能够保证离焦150微米的范围内清晰成像。对于具有20X(倍)显微物镜的显微成像装置，在采用具有对应最优参数的波前编码板后，相对于未采用波前编码板的显微成像装置而言，能够保证离焦40微米的范围内清晰成像。
从而，验证了加入设计完成的改进型非整数幂次型波前编码板后，可以保证显微成像装置在离焦较大范围内依旧可以清晰成像，这就解决了球面与非球面光学元件表面疵病检测中更换不同倍率时对焦难、容易离焦等问题。
请参阅图4，为本发明一实施方式中的显微成像装置100的部分结构示意图。显微成像装置100至少包括物镜10以及设置于物镜10的光学路径上的波前编码板20。所述波前编码板20具体可为改进型非整数幂次型波前编码板20。所述波前编码板20具体设置于所述物镜10的后方。
请一并参阅图5，为加入了波前编码板20的显微成像装置100的光线入射角度示意图。所述物镜10位于波前编码器20以及成像的物面30之间，入射光线通过波前编码器20后到物镜10，然后在物面30成像。通过调整波前编码器20的光入射角度和波前编码板位相函数的设计参数，可以对不同倍率的物镜10的景深进行延拓。
请一并参阅图6，为所加入的波前编码器20的位相图。其中，所加入的波前编码器20具有与物镜10的倍率相对应的最优参数。其中，所述最优参数为波前编码板位相函数的最优，设计参数。具体的，所述波前编码板位相函数的表达式为：
Ψ(x,y)＝α(x3+y3)+β(x2y+y2x)
其中，x,y为物体的成像光瞳面的空间坐标，α,β为设计参数。所述最优参数为，通过加入波前编码板后的光线入射角度进行分析，一级根据景深延拓及适应不同倍率显微物镜成像的要求，对波前编码板位相函数进行改进优化与分析得到。所述最优设计参数具体为：α＝171.31,β＝1.52。
如前面的图3所示，在计算机成像仿真下，对于具有特定倍数显微物镜的显微成像装置100，在采用具有对应最优参数的波前编码板后，相对于未采用波前编码板20的显微成像装置而言，能够保证离焦一定范围内清晰成像。显微成像装置100的成像性能得到了很大提高，这就解决了球面与非球面光学元件表面疵病检测中对焦难以及对具有不同倍率显微物镜的显微成像装置100难以适用等问题。
本申请的显微成像装置100及方法，用于光学元件疵病检测中显微成像的景深延拓，采用在显微成像装置100的物镜后方添加改进型非整数幂次型波前编码板20的方式，结构简单，在实际应用中易于实现，通过计算机的模拟成功实现了不同倍率显微物镜的景深延拓的目的，解决了球面与非球面光学元件对焦难、景深小、容易离焦的问题，满足了适用不同倍率显微物镜进行高精度球面与非球面光学元件表面疵病检测的目的。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种显微成像景深延拓的方法，用于光学元件疵病检测中的显微成像的景深延拓，其特征在于，所述方法包括：
在显微成像装置中加入波前编码板；
根据显微成像装置中物镜的倍率对加入波前编码板后的光线入射角度进行分析；
根据景深延拓及适应不同倍率显微物镜成像的要求，对波前编码板位相函数进行改进优化与分析；
确定设计的波前编码板的最优化的设计参数；以及
根据优化后的设计参数对波前编码板进行设置，通过所述具有最优化设计参数的波前编码板延拓显微成像装置的景深。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤“在显微成像装置中加入波前编码”包括：
在显微成像装置的物镜的光学路径上加入改进型非整数次幂型波前编码板。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤“根据显微成像装置的物镜的倍率对加入波前编码板后的光线入射角度进行分析”包括：
分析光线入射角度与波前编码板位相函数中的设计参数之间的变化关系；以及
根据较佳的入射角度而确定波前编码板位相函数中较佳的设计参数；
其中，所设计的波前编码板位相函数的表达式为：
Ψ(x,y)＝α(x3+y3)+β(x2y+y2x)
x,y为物体的成像光瞳面的空间坐标，α,β为所述设计参数。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤“所述根据光学***景深延拓及适应不同倍率显微物镜成像的要求，对波前编码板位相函数进行改进优化与分析包括：
根据所需延拓的景深范围以及显微物镜的倍数确定离焦位置，利用傅里叶变换计算在各个离焦位置的调制传递函数，并通过抑制函数选取其中满足条件的系数组合，进而结合优化函数得到最优的设计参数。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述最优的设计参数为α＝171.31,β＝1.52。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：
在确定波前编码板的的最优设计参数后，通过计算机模拟仿真，对具有不同倍率显微物镜的显微成像装置是否添加波前编码板的成像结果进行对比。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤“在确定波前编码板的的最优设计参数后，通过计算机模拟仿真，对具有不同倍率显微物镜的显微成像装置是否添加波前编码板的成像结果进行对比”包括：
进行计算机成像仿真显微成像装置，分别采用具有第一倍率显微物镜、第二倍率显微物镜的显微成像装置，对应的NA(数值孔径)数均为0.2，目标物体设置为具有不同空间频率分划线的分辨率测试板，分别对具有第一倍率显微物镜、第二倍率显微物镜的显微成像装置添加波前编码板以及未添加波前编码板的成像结果进行对比。
8.一种显微成像装置，包括物镜，其特征在于，所述显微成像装置还包括波前编码板，所述波前编码板位于物镜的光学路径上。
9.如权利要求8所述的显微成像装置，其特征在于，所述波前编码板为改进型非整数次幂型波前编码板，所加入的波前编码器具有与物镜的倍率相对应的最优参数，所述最优参数为波前编码板位相函数的最优设计参数，所述波前编码板位相函数的表达式为：
Ψ(x,y)＝α(x3+y3)+β(x2y+y2x)
其中，x,y为物体的成像光瞳面的空间坐标，α,β为设计参数。
10.如权利要求9所述的显微成像装置，其特征在于，最优参数为通过加入波前编码板后的光线入射角度进行分析，然后根据景深延拓及适应不同倍率显微物镜成像的要求，对波前编码板位相函数进行改进优化与分析得到的。
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