CN101666620A - 多光源并行共焦显微探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多光源并行共焦显微探测系统，包括有多个激光器，多个激光器的出光口处安装有合束器，合束器的出光口前方设有准直透镜，合束器的出光口位于准直透镜一侧的焦点处，准直透镜另一侧设有微透镜阵列，微透镜阵列的光路前方设有分光镜、第一望远物镜和第二望远物镜，分光镜反射面的一侧还设置有面阵CCD；还包括有可移动的工作台，工作台上固定有光栅尺，其位于第二望远物镜的光路上，被测物面放置于工作台上并随工作台一起移动。本发明通过采用多种波长的激光器构建并行共焦探测系统的合成光源，在保证激光并行共焦系统分辨率以及测量速度的前提下，克服了泰伯效应的影响，实现了大量程的高精度测量，从而扩大了并行共焦探测系统的应用范围。

Description

多光源并行共焦显微探测系统

技术领域

本发明涉及光学探测装置领域、激光测量领域及微纳米测量领域。

背景技术

激光共焦显微镜与普通显微镜相比，具有更高的分辨率和层析成像能力，被广泛应用于生物、生命科学、微纳米制造以及材料等科学研究领域。近年发展起来的基于微光学器件的非扫描并行共焦显微探测技术相对于单点共焦显微探测，进一步提高了探测速度及效率。非扫描并行共焦显微探测通过微光学器件(微透镜阵列)能够实现对光束的分割，从而由单点测量变成多点同时测量。由于激光具有良好的相干性，所以在通过单元尺寸为亚毫米量级的微透镜阵列后，因存在衍射致使“焦点像”不是唯一的，会沿着光轴出现多焦面现象，这种特性就是所谓的“泰伯效应”。在多泰伯像存在的情况下，为了能够正确辨识真正的焦点位置，必须使测量范围小于泰伯间距(泰伯像之间的轴向距离)，由此限制了激光并行共焦显微探测技术的应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种多光源并行共焦显微探测系统，采用三种不同波长的激光器构建并行共焦探测系统的合成光源系统，以解决传统的共焦显微镜由于泰伯效应而限制了应用范围的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

多光源并行共焦显微探测系统，包括有并行共焦探测系统，所述并行共焦探测系统包括准直透镜，所述准直透镜光路前方依次设置有微透镜阵列、分光镜、第一望远物镜、第二望远物镜及被测物面，所述分光镜反射面的一侧还设置有面阵CCD；其特征在于：还包括多个并行放置的激光器，在多个激光器的出光口安装有合束器，所述合束器将多种不同波长的激光束集合成一束以扩大泰伯间距，所述合束器的出光口位于所述准直透镜的焦点处；从多个激光器发出的光经过合束器合束后，在准直透镜的焦点处出射，出射光被准直透镜扩展后平行入射至微透镜阵列，经微透镜阵列会聚成点光源阵列，点光源阵列发出的光依次经过分光镜、第一望远物镜后平行出射，再经过第二望远物镜后会聚于放置在工作台的被测物面上，被测物面上的反射光按照光路可逆原理反射至分光镜，并被分光镜反射至面阵CCD。

所述的多光源并行共焦显微探测系统，其特征在于：所述微透镜阵列的口径尺寸满足所述准直透镜扩展后的平行光能够充满微透镜阵列。

所述的多光源并行共焦显微探测系统，其特征在于：所述微透镜阵列为42×42的微透镜阵列。

所述的多光源并行共焦显微探测系统，其特征在于：所述三个并行放置的激光器的波长分别为650nm、473nm和405nm。

本发明采用650nm、473nm和405nm三种波长的激光器构建并行共焦探测系统的合成光源系统，三种波长激光器独立工作时的泰伯间距分别为：115.56微米(波长为650nm的光源)、158.80微米(波长为473nm的光源)、185.46微米(波长为405nm的光源)；而合成光源的泰伯间距则变成22.08毫米，比单光源的泰伯间距扩大了100多倍，能满足20毫米区间内的测量，适用于微小器件几何参量测量的需求。

本发明通过采用多种波长的激光器构建并行共焦探测系统的合成光源，在保证激光并行共焦系统分辨率以及测量速度的前提下，克服了泰伯效应的影响，实现了大量程的高精度测量，从而扩大了并行共焦探测系统的应用范围。

附图说明

图1为单波长光束共焦系统物方轴向光强分布示意图。

图2为合成光束共焦系统物方轴向光强分布示意图。

图3本发明结构示意图。

具体实施方式

多光源并行共焦显微探测系统，包括有三个激光器1，三个激光器1的波长分别为650nm、473nm和405nm，三个激光器1并行放置后，在三个激光器1的出光口安装有合束器2，三个激光器1发出的光进入合束器2，由合束器2合成后，再从合束器2的出光口出射，合束器2出光口前方设有准直透镜3，合束器2的出光口位于准直透镜3一侧的焦点处，准直透镜3另一侧设有微透镜阵列4，微透镜阵列4为42×42的微透镜阵列，微透镜阵列4的口径尺寸满足准直透镜3扩展后的平行光能够充满微透镜阵列4，微透镜阵列4的光路前方依次设有分光镜5、第一望远物镜6和第二望远物镜7，分光镜5反射面的一侧还设置有面阵CCD8；还包括有可移动的工作台，工作台位于第二望远物镜7后面且能沿第二望远物镜7后面的光路移动，被测物面9放置于工作台上并随工作台一起移动；工作台上固定有光栅尺用于测量工作台的移动距离，三个激光器1发出的光经过合束器2合成后，在准直透镜3的焦点处出射，出射光被准直透镜3扩展后平行入射至微透镜阵列4，光经微透镜阵列4会聚成点光源阵列，点光源阵列发出的光依次经过分光镜5，第一望远物镜6后平行出射，再经过第二望远物镜7会聚于放置在工作台的被测物面9上，被测物面9上的反射光按照光路可逆原理反射至分光镜5，并被分光镜5反射至面阵CCD8。

λ₁＝650nm、λ₂＝473nm和λ₃＝405nm的三个激光器的光束经过合束器合成后会聚在准直透镜的焦点上，由准直透镜扩展成充满42×42的微透镜阵列口径的平行光，再由微透镜阵列会聚成42×42的点光源阵列。望远物镜将点光源成像到被测物面上，继而望远物镜又将物面上的阵列点成像到面阵CCD上。当物面上的采样点恰好位于望远物镜的焦面上时，CCD接收到的光点直径最小、中心点的光强值最大，我们称此为焦点像；物面上采样点的位置无论是近焦还是远焦，CCD接收到的光点直径都会扩大、中心点的光强值都会降低。被测物面随着由长光栅进行动态位移探测的工作台作轴向移动，根据CCD采集的图像，即可确定物面上不同探测点各自的焦点位置(轴向坐标)，由此即可重构被测表面的轮廓。若工作台的定位精度及CCD的探测精度能够满足纳米测量的需求，则该并行共焦显微探测系统除了能用于生命科学实验，还能用于MEMS器件的加工质量检测。

基本原理如下：

单波长光束通过微透镜阵列后，光强分布的傅里叶展开如下：

$\tilde{E}(x,y)=\frac{1}{d^2}\exp ({i\mathrm{2\π}z}_0/\mathrm{\λ})\exp (-\mathrm{i\π\λ}{z}_0\frac{1}{d^2})\underset{m=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\exp \left(i2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{mx}+\mathrm{ny}}{d}\right)\exp (m^2+n^2)$

光强的轴向分布如图1所示(横轴为轴向坐标，单位是μm；纵轴表示光强)，当z₀＝2Nd²/λ时(N＝0，±1，±2，…)，光强分布曲线出现峰值。定义出现峰值的点为泰伯点，则泰伯点间的间距即为泰伯间距。

三种不同波长的激光光束混合后再通过微透镜阵列，它们各自具有不同的泰伯距离，合成光束光强的轴向分布为各分光束光强叠加的结果。合成光束光强轴向分布曲线如图2所示(横轴为轴向坐标，单位是μm；纵轴表示光强)。除了在共焦点会出现极值点以外，必须等各分光束的泰伯点位置再次重合才会出现合成光束的泰伯点。通过计算机仿真可以确定：650nm、473nm和405nm三种波长合成光束的泰伯间距为22.08mm。

Claims (4)

1、多光源并行共焦显微探测系统，包括有并行共焦探测系统，所述并行共焦探测系统包括准直透镜，所述准直透镜光路前方依次设置有微透镜阵列、分光镜、第一望远物镜、第二望远物镜及被测物面，所述分光镜反射面的一侧还设置有面阵CCD；其特征在于：还包括多个并行放置的激光器，在多个激光器的出光口安装有合束器，所述合束器将多种不同波长的激光束集合成一束以扩大泰伯间距，所述合束器的出光口位于所述准直透镜的焦点处；从多个激光器发出的光经过合束器合束后，在准直透镜的焦点处出射，出射光被准直透镜扩展后平行入射至微透镜阵列，经微透镜阵列会聚成点光源阵列，点光源阵列发出的光依次经过分光镜、第一望远物镜后平行出射，再经过第二望远物镜后会聚于放置在工作台的被测物面上，被测物面上的反射光按照光路可逆原理反射至分光镜，并被分光镜反射至面阵CCD。

2、根据权利要求1所述的多光源并行共焦显微探测系统，其特征在于：所述微透镜阵列的口径尺寸满足所述准直透镜扩展后的平行光能够充满微透镜阵列。

3、根据权利要求1所述的多光源并行共焦显微探测系统，其特征在于：所述微透镜阵列为42×42的微透镜阵列。

4、根据权利要求1所述的多光源并行共焦显微探测系统，其特征在于：所述三个并行放置的激光器的波长分别为650nm、473nm和405nm。

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