纳米量级物体探测方法、系统、设备及存储介质
阅读说明：本技术 纳米量级物体探测方法、系统、设备及存储介质 (Method, system, device and storage medium for detecting nano-scale object ) 是由 吴征宇 于 2021-09-27 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种纳米量级物体探测方法、设备及存储介质,其方法包括：获取沿光轴对待测物体进行离焦扫描得到的多幅强度图像,基于所述强度图像进行有限数值差分得到探测光的光强的一阶轴向微分；建立散射力、功与光强的一阶轴向微分之间的关系式；将探测光的光强的一阶轴向微分代入所述关系式,得到待测物体对探测光的散射力以及功,从而实现待测物体的探测。本申请具有探测效率高、灵敏度高的技术效果。(The application relates to a detection method, equipment and storage medium for nano-scale objects, wherein the method comprises the following steps: acquiring a plurality of intensity images obtained by performing out-of-focus scanning on an object to be detected along an optical axis, and performing finite numerical difference on the basis of the intensity images to obtain first-order axial differential of light intensity of detection light; establishing a relational expression among the scattering force, the work and the first-order axial differential of the light intensity; and substituting the first-order axial differential of the light intensity of the detection light into the relational expression to obtain the scattering force and work of the object to be detected on the detection light, thereby realizing the detection of the object to be detected. The method and the device have the technical effects of high detection efficiency and high sensitivity.)
技术领域
本申请涉及纳米量级显微测量技术领域，尤其是涉及一种纳米量级物体探测方法、系统、设备及存储介质。
背景技术
在先进微纳米制造不断发展的前提下，各种微纳器件的集成度也不断提高。但由环境中的粉尘颗粒或加工制造过程等引起的纳米级扰动，将降低器件的性能甚至影响整个制造供应链。
原子力显微镜与扫描隧道显微镜虽然可以提供纳米级甚至更高的成像分辨率，但需要利用探针在待测对象表面执行扫描过程，这极大限制了其应用范围。广泛用于微纳表征的扫描电子显微镜，其小视场及需要对样品表面进行电子束轰击也限制了大面积微纳器件的无损检测，尽管很多学者希望使用多电子束来提高视场大小，但仍然难以突破电子间排斥这一物理限制。
基于光学原理的显微镜等测量手段由于具有大视场与低曝光的特点，可以实现非接触式测量与较高的测量效率，但来自成像器件方面的噪声，如光学透镜的缺陷、机械部件的不稳定、相机的散粒噪声与读出噪声，以及样品的边缘粗糙度与线宽粗糙度等，无疑降低了使用光学手段测量时的信噪比。
所以如何提高成像系统对各种噪声的鲁棒性与对纳米级扰动的灵敏度，是实现高效率与低成本的纳米扰动感测的关键技术难题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种纳米量级物体探测方法、系统、设备及存储介质，用以解决纳米量级物体探测效率低、灵敏度低的技术问题。
为了解决上述问题，第一方面，本发明提供一种纳米量级物体探测方法，包括：
获取沿光轴对待测物体进行离焦扫描得到的多幅强度图像，基于所述强度图像进行有限数值差分得到探测光的光强的一阶轴向微分；
建立散射力、功与光强的一阶轴向微分之间的关系式；
结合探测光的光强的一阶轴向微分以及所述关系式，计算得到待测物体对探测光的散射力以及功，从而实现待测物体的探测。
可选的，基于所述强度图像进行有限数值差分得到探测光的光强的一阶轴向微分，具体为：
选取欠焦的强度图像和过焦的强度图像，运用一阶中心有限差分法进行轴向微分估计：
；
其中，为探测光的光强，为探测光的光强的一阶轴向微分，为过焦的强度图像的光强，为欠焦的强度图像的光强，为离焦距离。
可选的，基于所述强度图像进行有限数值差分得到探测光的光强的一阶轴向微分，具体为：
选取多个测量平面对应的强度图像，运用高阶有限差分进行轴向微分估计：
；
其中，为探测光的光强，为探测光的光强的一阶轴向微分，为第个测量平面的强度图像的光强，为第个测量平面对应的权重，为离焦距离，测量平面的数量为2n+1个，对应2n+1个测量平面中的n值。
可选的，建立散射力、功与光强的一阶轴向微分之间的关系式，具体为：
对于沿光轴方向传播的近轴光束，将近轴光束的动量通量改写为关于光强的表达式；
仅考虑电偶极子模型，将散射力表示为关于动量通量的表达式；
结合动量通量的表达式和散射力的表达式，得到散射力关于光强的表达式；
仅考虑横向散射力，结合散射力关于光强的表达式以及光强传输方程，得到横向散射力关于光强的一阶轴向微分的表达式；
基于横向散射力关于光强的一阶轴向微分的表达式，获取横向散射力相应的功关于光强的一阶轴向微分的表达式。
可选的，结合探测光的光强的一阶轴向微分以及所述关系式，计算得到待测物体对探测光的散射力以及功，具体为：
结合探测光的光强的一阶轴向微分以及横向散射力相应的功关于光强的一阶轴向微分的表达式：
；
其中，，为波矢，为真空中的光速，为电场频率，为拉普拉斯算子，为一阶轴向微分，为横向散射力的功；
计算得到横向散射力的功为：
；
其中，为逆拉普拉斯算子；
结合横向散射力的功以及散射力与功的关系式，计算得到散射力：
；
其中，为散射力，为横向散射力的功，为横向梯度算子。
第二方面，本申请还提供一种纳米量级物体探测系统，所述系统包括：
微分模块，用于获取沿光轴对待测物体进行离焦扫描得到的多幅强度图像，基于所述强度图像进行有限数值差分得到探测光的光强的一阶轴向微分；
关系式模块，用于建立散射力、功与光强的一阶轴向微分之间的关系式；
计算模块，用于结合探测光的光强的一阶轴向微分以及所述关系式，计算得到待测物体对探测光的散射力以及功，从而实现待测物体的探测。
第三方面，本申请提供的一种计算机设备，采用如下的技术方案：
一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述纳米量级物体探测方法的步骤。
第四方面，本申请提供的一种纳米量级物体探测设备，包括所述计算机设备，还包括显微成像设备，所述显微成像设备用于沿光轴物体对待测物体进行离焦扫描得到多幅强度图像，并将所述强度图像发送至所述计算机设备用于物体探测。
可选的，所述显微成像设备包括依次设置的光纤端口、准直透镜、第一可调光阑、可旋转偏振镜、第一透镜、非偏振分束镜以及物镜，还包括沿所述非偏振分束镜的反射光路依次设置的第二透镜、第二可调光阑、第三透镜、第四透镜以及相机，还包括设置于所述物镜下方的电动位移台。
第五方面，本申请提供的一种计算机可读存储介质，采用如下的技术方案：
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述纳米量级物体探测方法的步骤。
采用上述实施例的有益效果是：本发明使用功和散射力来表征物空间的被测物体，所解得的功与散射力均是二维结果，其值可以在一定程度上表征微纳结构的三维形貌，并依据其异常变化或特征实现纳米级物体的探测，实现非破坏性的非干涉远场成像。由于选择采用功和散射力对被测物体进行表征，因此可以借助明场显微镜并结合离焦扫描装置实现，结构简单易行，避免了原子力显微镜与扫描隧道显微镜利用探针进行探测，实现非接触式的无损探测，同时也克服了扫描电子显微镜小视场的问题，提高了探测效率。同时，建立的散射力、功与光强的一阶轴向微分之间的关系式是二维泊松方程，因此图像重构是建立在求解二维泊松方程得出的电动力之上，对系统误差与随机噪声具有良好的鲁棒性，不需要复杂的降噪处理算法即可实现灵敏的纳米级物体探测。
附图说明
图1为本申请提供的纳米量级物体探测方法一实施例的方法流程图；
图2为本申请提供的纳米量级物体探测系统一实施例的原理框图；
图3为本申请提供的计算机设备一实施例的原理框图；
图4为本申请提供的纳米量级物体探测设备一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本申请的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本申请的实施例一起用于阐释本申请的原理，并非用于限定本申请的范围。
在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本申请提供了一种纳米量级物体探测方法、系统、设备、计算机设备及存储介质，以下分别进行详细说明。
首先，如图1所示，本申请实施例提供了一种纳米量级物体探测方法，该方法包括：
S1、获取沿光轴对待测物体进行离焦扫描得到的多幅强度图像，基于所述强度图像进行有限数值差分得到探测光的光强的一阶轴向微分；
S2、建立散射力、功与光强的一阶轴向微分之间的关系式；
S3、结合探测光的光强的一阶轴向微分以及所述关系式，计算得到待测物体对探测光的散射力以及功，从而实现待测物体的探测。
本实施例提供了一种使用光学散射力来探测纳米量级物体的成像方法，实现非破坏性的非干涉远场成像。本实施例所描述的方法建立在纳米级物体的电动力学上，使用功和散射力来表征物空间的被测物体，所解得的功与散射力均是二维结果，其值可以在一定程度上表征微纳结构的三维形貌，并依据其异常变化或特征实现纳米级物体的探测。
具体的，首先获取沿光轴对待测物体进行离焦扫描得到的多幅强度图像。强度图像可以借助明场显微镜并结合离焦扫描装置获取，结构简单易行，避免了原子力显微镜与扫描隧道显微镜利用探针进行探测，实现非接触式的无损探测，同时也克服了扫描电子显微镜小视场的问题，提高了探测效率。然后基于强度图像计算光强的一阶轴向微分，建立散射力、功与光强的一阶轴向微分之间的关系式，进而求解得到散射力和功。不同于大多数现有的以幅值、相位及偏振态作为信息载体的成像模式，本发明以散射力以及功作为信息载体实现探测成像，由于建立的散射力、功与光强的一阶轴向微分之间的关系式是二维泊松方程，因此图像重构是建立在求解二维泊松方程得出的电动力之上，对系统误差与随机噪声具有良好的鲁棒性，不需要复杂的降噪处理算法即可实现灵敏的纳米级物体探测。
在一实施例中，基于所述强度图像进行有限数值差分得到探测光的光强的一阶轴向微分，具体为：
选取欠焦的强度图像和过焦的强度图像，运用一阶中心有限差分法进行轴向微分估计：
；
其中，为探测光的光强，为探测光的光强的一阶轴向微分，为过焦的强度图像的光强，为欠焦的强度图像的光强，为离焦距离。
一阶轴向微分估计可以采用对双平面的光强轴向微分估计，即可分别使用轻微欠焦与过焦的强度图像，运用一阶中心有限差分法估计其轴向微分。
在一实施例中，基于所述强度图像进行有限数值差分得到探测光的光强的一阶轴向微分，具体为：
选取多个测量平面对应的强度图像，运用高阶有限差分进行轴向微分估计：
；
其中，为探测光的光强，为探测光的光强的一阶轴向微分，为第个测量平面的强度图像的光强，为第个测量平面对应的权重，为离焦距离，测量平面的数量为2n+1个，对应2n+1个测量平面中的n值。
与双平面的光强轴向微分估计相比，优选对多平面的光强轴向微分估计，即，使用2n+1个测量平面，运用高阶有限差分进行轴向微分估计。
权重可依据泰勒展开式得出，具体可由下式推出：
；
上式中，、为泰勒展开式的参数，本实施例中，且对应2n+1个测量平面中的n值。
在一实施例中，建立散射力、功与光强的一阶轴向微分之间的关系式，具体为：
对于沿光轴方向传播的近轴光束，将近轴光束的动量通量改写为关于光强的表达式；
仅考虑电偶极子模型，将散射力表示为关于动量通量的表达式；
结合动量通量的表达式和散射力的表达式，得到散射力关于光强的表达式；
仅考虑横向散射力，结合散射力关于光强的表达式以及光强传输方程，得到横向散射力关于光强的一阶轴向微分的表达式；
基于横向散射力关于光强的一阶轴向微分的表达式，获取横向散射力相应的功关于光强的一阶轴向微分的表达式
具体的，建立散射力及其功与一阶轴向微分之间的联系实现如下。
(1)对于沿z方向传播的近轴光束，在标量近似下其电场可以表达为：
；
其中，表示电场，表示电场场强，为幅值，为初相位，为波矢的z向分量。
而，且在具有较大横向放大率显微镜的成像空间内有，则近轴光束的动量通量可以改写为：
；
其中，为横向梯度算子，为背景折射率，为真空中的磁导率，为真空中的光速，，为电场频率，，表示磁场场强，为电场磁场的复矢量表达式。
则，；
将电场磁场的复矢量表达式作为中间量，将电场磁场的复矢量表达式表示为与光强相关的表达式后，便于后续将散射力表示为与光强相关的表达式。
(2)对于位于的非磁性微小孤立对象，若仅考虑电偶极子模型，散射力可由下式表示：
；
其中，为微小对象的消光截面。
利用(1)中结论，即电场磁场的复矢量表达式，上式可进一步写为：
；
上式即散射力与光强相关的表达式；
显然，散射力可以分解为：
横向散射力与纵向散射力。
(3)为描述任意纳米级物体的散射力，考虑聚合对象的消光截面不仅仅包含各个对象的独立影响，使用来表示任意系统的消光截面，仅考虑(2)中横向散射力作为本实施例中所求的散射力，并结合下述光强传输方程：
；
可以得出横向散射力与一阶轴向微分的关系式：
；
根据力学理论，可以认为横向散射力与其相应的功满足，因此有：
；
其中，为横向拉普拉斯算子；
上式即功关于光强一阶轴向微分的关系式。
为了便于偏微分的计算，将常数项乘入横向散射力的功的关系式中，定义其为成像系统中的功，即：
；
则有，；
相应地，成像系统中的散射力。
在一实施例中，结合探测光的光强的一阶轴向微分以及所述关系式，计算得到待测物体对探测光的散射力以及功，具体为：
结合探测光的光强的一阶轴向微分以及横向散射力相应的功关于光强的一阶轴向微分的表达式：
；
其中，，为波矢，为真空中的光速，为电场频率，为拉普拉斯算子，为一阶轴向微分，为横向散射力的功；
计算得到横向散射力的功为：
；
其中，为逆拉普拉斯算子；
结合横向散射力的功以及散射力与功的关系式，计算得到散射力：
；
其中，为散射力，为横向散射力的功，为横向梯度算子。
依据步骤S2中所得出的关系式，利用步骤S1中求得的一阶轴向微分，求解功，然后，根据求得的功，进一步解得散射力。
依据步骤S2中所得出的关系式，求解功，具体实施过程为：利用步骤S1中求得的一阶轴向微分并使用Neumann边界条件来求解步骤S2中的标准泊松方程：
；
可获得横向散射力的功：
；
其中，为逆拉普拉斯算子。
利用上式中求得的横向散射力的功，及步骤S2中的关系式，进行差分运算来进一步求解散射力。
求得散射力和功后，使用功和散射力来表征物空间的被测物体，所解得的功与散射力均是二维结果，其值可以在一定程度上表征微纳结构的三维形貌，并依据其异常变化或特征实现纳米级物体的探测。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
本实施例还提供一种纳米量级物体探测系统，该纳米量级物体探测系统与上述实施例中纳米量级物体探测方法一一对应。如图2所示，该纳米量级物体探测系统包括：
微分模块401，用于获取沿光轴对待测物体进行离焦扫描得到的多幅强度图像，基于所述强度图像进行有限数值差分得到探测光的光强的一阶轴向微分；
关系式模块402，用于建立散射力、功与光强的一阶轴向微分之间的关系式；
计算模块403，用于结合探测光的光强的一阶轴向微分以及所述关系式，计算得到待测物体对探测光的散射力以及功，从而实现待测物体的探测。
关于纳米量级物体探测系统的具体限定可以参见上文中对于纳米量级物体探测方法的限定，在此不再赘述。上述纳米量级物体探测系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
如图3所示，基于上述纳米量级物体探测方法，本申请还相应提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是移动终端、桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及服务器等计算设备。该计算机设备包括处理器10、存储器20及显示器30。图3仅示出了计算机设备的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。
存储器20在一些实施例中可以是计算机设备的内部存储单元，例如计算机设备的硬盘或内存。存储器20在另一些实施例中也可以是计算机设备的外部存储设备，例如计算机设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（SecureDigital, SD）卡，闪存卡（Flash Card）等。进一步地，存储器20还可以既包括计算机设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器20用于存储安装于计算机设备的应用软件及各类数据，例如安装计算机设备的程序代码等。存储器20还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。在一实施例中，存储器20上存储有纳米量级物体探测程序40，该纳米量级物体探测程序40可被处理器10所执行，从而实现本申请各实施例的纳米量级物体探测方法。
处理器10在一些实施例中可以是一中央处理器（Central Processing Unit,CPU），微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器20中存储的程序代码或处理数据，例如执行纳米量级物体探测方法等。
显示器30在一些实施例中可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED（Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管）触摸器等。显示器30用于显示在计算机设备的信息以及用于显示可视化的用户界面。计算机设备的部件10-30通过系统总线相互通信。
在一实施例中，当处理器10执行存储器20中纳米量级物体探测程序40时实现以下步骤：
获取沿光轴对待测物体进行离焦扫描得到的多幅强度图像，基于所述强度图像进行有限数值差分得到探测光的光强的一阶轴向微分；
建立散射力、功与光强的一阶轴向微分之间的关系式；
结合探测光的光强的一阶轴向微分以及所述关系式，计算得到待测物体对探测光的散射力以及功，从而实现待测物体的探测。
本实施例还提供了一种纳米量级物体探测设备，包括所述计算机设备，还包括显微成像设备，所述显微成像设备用于沿光轴物体对待测物体进行离焦扫描得到多幅强度图像，并将所述强度图像发送至所述计算机设备用于物体探测。
在一实施例中，如图4所示，所述显微成像设备包括依次设置的光纤端口1、准直透镜2、第一可调光阑3、可旋转偏振镜4、第一透镜5、非偏振分束镜6以及物镜7，还包括沿所述非偏振分束镜的反射光路依次设置的第二透镜11、第二可调光阑12、第三透镜13、第四透镜14以及相机15，还包括设置于所述物镜下方的电动位移台8。
结合图4，本实施例是基于具备4f系统与轴向离焦扫描装置的显微成像系统。4f系统即光学4f系统，是一种特殊的应用广泛的光学系统，当输入两束相干的偏振光时，经过光学装置，例如余弦光栅、变换平面等，使输入的光在屏幕上产生衍射谱。精密的横向移动余弦光栅，可以连续的改变两束光的衍射级数的相位差，达到衍射光强相减或相加的目的。该显微系统中，来自光纤端口1的输入光，通过准直透镜2进行准直后，由第一可调光阑3调节光束直径，位于第一可调光阑3后的可旋转偏振镜4用于控制平行光束的偏振方向，之后平行光束由第一透镜5重新汇聚于物镜7的后焦面，因此样品上的照明光束可视作为平面波。具有亚10nm步长精度的电动位移台8用于放置样品并实现离焦扫描，样品的散射光被物镜7捕获，并经由非偏振分束镜6反射后被第二透镜11汇聚，位于第二透镜11焦平面的第二可调光阑12可以滤除杂散光。第三透镜13与第四透镜14组成的4f系统可以进一步提高图像放大倍数，相机15的成像平面放置于4f系统的后焦面，通过控制电动位移平台8来采集一系列强度图像。
本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有纳米量级物体探测程序，程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取沿光轴对待测物体进行离焦扫描得到的多幅强度图像，基于所述强度图像进行有限数值差分得到探测光的光强的一阶轴向微分；
建立散射力、功与光强的一阶轴向微分之间的关系式；
结合探测光的光强的一阶轴向微分以及所述关系式，计算得到待测物体对探测光的散射力以及功，从而实现待测物体的探测。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。
本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。