超分辨差动共焦显微镜的研制

当今科技发展的实践表明高空间分辨的共焦显微技术是生物医学、微纳制造、半导体和材料工程等领域亟待解决的一项关键共性技术，属光学显微成像领域的重点研究内容。本项目前期研究提出的超分辨差动共焦显微成像技术,其利用轴向"远焦"和"近焦"放置的双共焦探测系统差动探测，改善其轴向分辨特性，利用超分辨光瞳滤波及图像复原技术改善其横向分辨特性,继而达到显著改善其空间分辨能力、抗干扰能力和层析能力的目的。本次申请项目拟重点解决利用超分辨差动共焦显微成像技术实现高空间分辨、高层析能力的成像测试及其仪器化的相关技术，其目标是研制出具有自主知识产权的超分辨差动共焦显微镜,为微纳制造、半导体测试、材料工程和生物医学等领域提供高性能的测试仪器。研究内容包括：改善仪器分辨能力及精度的相关基础理论,仪器核心技术和系统集成技术,仪器的总体实验、特性分析与比对实验等。仪器主要指标：轴向和横向分辨力分别优于1nm和80nm等。

共焦显微镜因其具有光学成像领域独特的层析成像能力和高分辨能力，一直被作为重要的测量和分析手段，广泛应用于生物医学工程、材料工程、微电子制造和精密测量等领域。针对目前亟待提高共焦显微镜分辨能力的需求，课题组在国家自然科学基金科学仪器基础研究项目“超分辨差动共焦显微镜的研制（编号：60927012）” 的资助下，开展了深入研究，取得如下研究成果：.1)提出了超分辨激光差动共焦显微成像新原理，其利用轴向“远焦”和“近焦”偏移放置的双共焦光路差动探测，来改善共焦显微系统的轴向分辨特性，利用超分辨光瞳滤波及图像复原技术来改善共焦显微系统的横向分辨特性，继而构建起了一种具有高空间分辨能力的新原理共焦显微成像仪器；.2)基于差动共焦特性曲线与其系统焦点精确对应这一特性，提出了差动共焦零点触发扩展量程的测量方法，实现了系统的绝对零点和双极性跟踪测量，其结果可减小现有共焦显微系统易受离焦特性、样品表面倾斜、样品粗糙特性和非线性的不利影响，提高了共焦显微系统的测量精度；.3)将超分辨差动共焦显微镜与光学显微镜在结构和功能上有机融合，使研制的仪器既具有共焦显微系统高分辨能力、高层析能力和高抗干扰能力的优点，同时又具有光学显微镜宽范围观测和便于样品找正的优点等。.上述研究为新原理共焦显微成像仪器的研发提供了理论与技术基础。围绕超分辨差动共焦技术，共发表学术论文14篇，其中9篇发表在SCI检索国际期刊上，并有5篇发表在国际光学领域权威期刊Optics Express上，授权发明专利17项，受理发明专利16项（包括美国和欧洲发明专利各1项）。参加国际会议4次，国内会议6次。超分辨激光差动共焦显微镜已在激光聚变靶球参数的测量中得到应用，并进一步争取到国家重大科学仪器设备开发专项“激光差动共焦成像与检测仪器研发及其应用研究（编号：2011YQ040136）”项目的支持，以期深入开展仪器化研究，拓展其应用领域。