CN103292735A - 一种双区域比例输出共焦探测方法与装置 - Google Patents

一种双区域比例输出共焦探测方法与装置 Download PDF

Info

Publication number
CN103292735A
CN103292735A CN201310229514XA CN201310229514A CN103292735A CN 103292735 A CN103292735 A CN 103292735A CN 201310229514X A CN201310229514X A CN 201310229514XA CN 201310229514 A CN201310229514 A CN 201310229514A CN 103292735 A CN103292735 A CN 103292735A
Authority
CN
China
Prior art keywords
confocal
photosurface
area ratio
exported
double
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201310229514XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN103292735B (zh
Inventor
黄向东
谭久彬
尹可
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN201310229514.XA priority Critical patent/CN103292735B/zh
Publication of CN103292735A publication Critical patent/CN103292735A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103292735B publication Critical patent/CN103292735B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Microscoopes, Condenser (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

一种双区域比例输出共焦探测方法与装置属于三维共焦显微测量领域，特别涉及一种双区域比例输出共焦探测方法与装置；该方法将收集物镜焦平面光斑以光斑中心为圆心分为同心的两个区域，采用不同区域光强的比例值作为双区域比例输出共焦探测器108的输出；该装置设置有双区域比例输出共焦探测器，通过采用双层光敏面或采用CCD相机虚拟针孔技术，实现不同区域的探测；这种设计，不仅具备更高的轴向探测灵敏度，而且能够抑制共焦系统中乘性噪声的影响，使输出结果与输入光强及样品的反射率无关；同时获得单调变化的焦平面附近轴向曲线，使样品处于探测物镜焦平面附近位置时，通过一次测量即可获得其轴向位置。

Description

一种双区域比例输出共焦探测方法与装置
技术领域
 一种双区域比例输出共焦探测方法与装置属于三维共焦显微测量领域，特别涉及一种双区域比例输出共焦探测方法与装置。
背景技术
 激光共焦扫描显微成像技术作为一种非接触、高轴向分辨力的三维成像方法，在光学精密测量领域中得到广泛应用，尤其是随着微结构元件加工的精密度不断提高，其研究和应用的价值也在不断提升。
共焦显微成像技术最早由M.Minsky在1957年提出，此后由Sheppard、T.Wilson及M.Gu奠定了共焦显微成像技术的理论基础。并在上世纪80年代开始，陆续有商品化的共焦显微镜商品出现，极大的促进了三维显微测量技术的发展。
在共焦显微技术中，国内外学者针对如何提高共焦显微系统的三维成像能力作了大量的研究，为了获取更高的成像分辨率，如通过引入非线性荧光激发的荧光共焦显微技术、采用提高照明孔径角的4Pi共焦显微技术、结合干涉测量的干涉共焦显微技术，以及对特定结构实现高精度扫描的结构光照明的共焦显微技术，此外，改变探测方式，也是共焦显微技术提高分辨率的一种途径。专利：具有高空间分辨力的差动共焦扫描检测方法（专利号：ZL200410006359.6 ）提高了通过差动探测的方式提高轴向测量灵敏度。专利复色超分辨差动共焦测量方法与装置（专利号ZL200710301423.7）通过引入复色照明与探测方式，提高了轴向分辨率，专利具有数十纳米横向分辨力的反射多光束共焦干涉显微镜（专利号ZL200510123581.9）等都在提高系统分辨率上做出了努力。
探测器的结构在共焦显微测量中起关键作用，在探测器端引入针孔来滤除杂散光，降低了轴向响应的半光强极值全宽，提高了轴向分辨率，同时获得轴向层析能力。在硬针孔的基础上， 一些新的针孔方式也被开发出来，如利用单模光纤纤芯直径与硬针孔尺度相当，结合精密光纤耦合器构成的针孔探测器，降低了针孔的对准难度，此外采用数字CCD通过软件算法实现的针孔来替代硬针孔也实现了共焦层析测量。 
探测针孔中心光强测量赋予了共焦系统轴向层析能力，存在以下不足：
1、针孔的大小受到限制，理论上为了获得更好的轴向响应半极值全宽，对应更高的分辨，针孔应足够小，但过小的针孔带来信噪比的急速下降是去测量的意义，实际采用的针孔为有限大小。
2、系统中的乘性噪声，如激光器的光强漂移、对针孔光强探测产生造成误差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明设计了一种双区域比例输出共焦探测方法与装置，不仅具备更高的轴向探测灵敏度，而且能够抑制共焦系统中乘性噪声的影响，使输出结果与输入光强及样品的反射率无关；同时获得单调变化的焦平面附近轴向曲线，使样品处于探测物镜焦平面附近位置时，通过一次测量即可获得其轴向位置。
本发明的目的是这样实现的：
一种双区域比例输出共焦探测方法，将收集物镜焦平面光斑以光斑中心为圆心分为同心的两个区域，内圆区域记为A，半径记为R 1，外圆环带区域记为B，外圆半径记为R 2，共焦测量系统在进行扫描时，采用区域A与B光强的比例值作为双区域比例输出共焦探测器的输出。
一种双区域比例输出共焦探测装置，包括激光器，扩束准直系统，分光棱镜、1/4玻片，探测物镜，待测件样品，收集物镜，还包括设置在收集物镜准焦面上的双区域比例输出共焦探测器；激光器发出的光束，经过扩束准直系统扩束准直后，平行穿过分光棱镜和1/4玻片，并由探测物镜会聚到待测件样品；从待测件样品反射的光束，再次经过探测物镜和1/4玻片，由分光棱镜反射，经收集物镜会聚到双区域比例输出共焦探测器。
上述双区域比例输出共焦测量装置，所述的双区域比例输出共焦探测器包括设置在装置外壳中的第一光敏面和第二光敏面，设置在装置外壳外的连接第一光敏面的第一光电转换电路模块，连接第二光敏面的第二光电转换电路模块，连接第一光电转换电路模块和第二光电转换电路模块的硬件除法器模块，模数转换模块，数字输出接口；所述的第一光敏面为圆形，圆心开针孔，第二光敏面为圆形，位于第一光敏面之后并与第一光敏面同心放置；第一光敏面经过第一光电转换电路模块光电转换后，输出模拟电压V 1，第二光敏面经过第二光电转换电路模块光电转换后，输出模拟电压V 2，V 1与V 2进入硬件除法电路模块输入端，V 1为除数端，V 2为被除数端，输出的模拟电压V 3=V 2/V 1，再经过模数转换模块完成模数转换后，由数字输出接口输出。
上述双区域比例输出共焦测量装置，所述的双区域比例输出共焦探测器为CCD相机。
由于本发明双区域比例输出共焦测量方法将收集物镜焦平面光斑以光斑中心为圆心分为同心的两个区域，采用不同区域光强的比例值作为双区域比例输出共焦探测器108的输出；双区域比例输出共焦测量装置设置有双区域比例输出共焦探测器；这种设计，不仅具备更高的轴向探测灵敏度，而且能够抑制共焦系统中乘性噪声的影响，使输出结果与输入光强及样品的反射率无关；同时获得单调变化的焦平面附近轴向曲线，使样品处于探测物镜焦平面附近位置时，通过一次测量即可获得其轴向位置。
附图说明
图1是轴向响应曲线对比图。
图2是具体实施例一的双区域比例输出共焦探测装置结构示意图。
图3是具体实施例一的双区域比例输出共焦探测器结构示意图。
图4是具体实施例二的双区域比例输出共焦探测装置结构示意图。
图中：101包括激光器，102扩束准直系统，103分光棱镜、104 1/4玻片，105探测物镜，106待测件样品，107收集物镜，108双区域比例输出共焦探测器，201第一光敏面，202第二光敏面，203第一光电转换电路模块，204第二光电转换电路模块，205硬件除法器模块，206模数转换模块，207数字输出接口，208装置外壳，301普通针孔内光强输出的轴向响应曲线，302双区域比例输出的轴向响应曲线，401CCD相机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。
具体实施例一
本实施例的双区域比例输出共焦探测方法，将收集物镜107焦平面光斑以光斑中心为圆心分为同心的两个区域，内圆区域记为A，半径记为R 1，外圆环带区域记为B，外圆半径记为R 2，共焦测量系统在进行扫描时，采用区域A与B光强的比例值作为双区域比例输出共焦探测器108的输出。
不同的R 1、R 2组合下的双区域针孔输出特性存在差异。在归一化坐标下，通过仿真优化，可知在R 1=3，R 2=10时可以获得优于普通针孔的输出结果。普通针孔轴向输出与双区域比例输出的轴向响应曲线如图1所示。301对应采用归一化坐标下，R 1=3半径普通针孔内光强输出的轴向响应曲线，302对应采用R 1=3，R 2=10的双区域比例输出的轴向响应曲线。
实际光学系统中，还需要考虑从样品表面到探测面的光学放大率M，根据归一化坐标对应关系，实际R 1=3，R 2=10对应的实际尺寸为R 1=3M/(ksinα)，R 2=10M/(ksinα)。
本实施例的双区域比例输出共焦探测装置结构示意图如图2所示，该双区域比例输出共焦探测装置包括激光器101，扩束准直系统102，分光棱镜103、1/4玻片104，探测物镜105，待测件样品106，收集物镜107，还包括设置在收集物镜107准焦面上的双区域比例输出共焦探测器108；激光器101发出的光束，经过扩束准直系统102扩束准直后，平行穿过分光棱镜103和1/4玻片104，并由探测物镜105会聚到待测件样品106；从待测件样品106反射的光束，再次经过探测物镜105和1/4玻片104，由分光棱镜103反射，经收集物镜107会聚到双区域比例输出共焦探测器108。
所述的双区域比例输出共焦探测器108结构示意图如图3所示，该双区域比例输出共焦探测器108包括设置在装置外壳208中的第一光敏面201和第二光敏面202，设置在装置外壳208外的连接第一光敏面201的第一光电转换电路模块203，连接第二光敏面202的第二光电转换电路模块204，连接第一光电转换电路模块203和第二光电转换电路模块204的硬件除法器模块205，模数转换模块206，数字输出接口207；所述的第一光敏面201为圆形，圆心开针孔，第二光敏面202为圆形，位于第一光敏面201之后并与第一光敏面201同心放置；第一光敏面201经过第一光电转换电路模块203光电转换后，输出模拟电压V 1，第二光敏面202经过第二光电转换电路模块204光电转换后，输出模拟电压V 2，V 1与V 2进入硬件除法电路模块204输入端，V 1为除数端，V 2为被除数端，输出的模拟电压V 3=V 2/V 1，再经过模数转换模块206完成模数转换后，由数字输出接口207输出。
所述的双区域比例输出共焦探测器108的第一光敏面201和第二光敏面202前后同心放置，第一光敏面201和第二光敏面202等效为两个探测区域，中心区域及中心区域外的一个环形区域，第一光敏面201负责探测焦斑区域外环的能量，第二光敏面202负责探测焦斑中心区域能量。
具体实施例二
本实施例与具体实施例一的不同在于，所述的双区域比例输出共焦探测装置中，将双区域比例输出共焦探测器108替换成CCD相机401，如图4所示。通过对CCD相机401获取的光斑图像中采取虚拟针孔的方式，将光斑图像分为内圆区域和环带区域，以内圆区域像素灰度值之和与环带区域像素灰度值之和的比值作为输出。

Claims (4)

1.一种双区域比例输出共焦探测方法，其特征为：将收集物镜(107)焦平面光斑以光斑中心为圆心分为同心的两个区域，内圆区域记为A，半径记为R1，外圆环带区域记为B，外圆半径记为R2，共焦测量系统在进行扫描时，采用区域A与B光强的比例值作为双区域比例输出共焦探测器(108)的输出。
2.一种双区域比例输出共焦探测装置，包括激光器(101)，扩束准直系统(102)，分光棱镜(103)、1／4玻片(104)，探测物镜(105)，待测件样品(106)，收集物镜(107)，其特征为：还包括设置在收集物镜(107)准焦面上的双区域比例输出共焦探测器(108)；激光器(101)发出的光束，经过扩束准直系统(102)扩束准直后，平行穿过分光棱镜(103)和1／4玻片(104)，并由探测物镜(105)会聚到待测件样品(106)；从待测件样品(106)反射的光束，再次经过探测物镜(105)和1／4玻片(104)，由分光棱镜(103)反射，经收集物镜(107)会聚到双区域比例输出共焦探测器(108)。
3.根据权利要求2所述的双区域比例输出共焦测量装置，其特征为：所述的双区域比例输出共焦探测器(108)包括设置在装置外壳(208)中的第一光敏面(201)和第二光敏面(202)，设置在装置外壳(208)外的连接第一光敏面(201)的第一光电转换电路模块(203)，连接第二光敏面(202)的第二光电转换电路模块(204)，连接第一光电转换电路模块(203)和第二光电转换电路模块(204)的硬件除法器模块(205)，模数转换模块(206)，数字输出接口(207)；所述的第一光敏面(201)为圆形，圆心开针孔，第二光敏面(202)为圆形，位于第一光敏面(201)之后并与第一光敏面(201)同心放置；第一光敏面(201)经过第一光电转换电路模块(203)光电转换后，输出模拟电压V1，第二光敏面(202)经过第二光电转换电路模块(204)光电转换后，输出模拟电压V2，V1与V2进入硬件除法电路模块(204)输入端，V1为除数端，V2为被除数端，输出的模拟电压V3=V2／V1，再经过模数转换模块(206)完成模数转换后，由数字输出接口(207)输出。
4.根据权利要求2所述的双区域比例输出共焦测量装置，其特征为：所述的双区域比例输出共焦探测器(108)为CCD相机(401)。
CN201310229514.XA 2013-06-09 2013-06-09 一种双区域比例输出共焦探测方法与装置 Active CN103292735B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310229514.XA CN103292735B (zh) 2013-06-09 2013-06-09 一种双区域比例输出共焦探测方法与装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310229514.XA CN103292735B (zh) 2013-06-09 2013-06-09 一种双区域比例输出共焦探测方法与装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103292735A true CN103292735A (zh) 2013-09-11
CN103292735B CN103292735B (zh) 2015-09-02

Family

ID=49093998

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310229514.XA Active CN103292735B (zh) 2013-06-09 2013-06-09 一种双区域比例输出共焦探测方法与装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103292735B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4650335A (en) * 1982-11-30 1987-03-17 Asahi Kogaku Kogyo Kabushiki Kaisha Comparison type dimension measuring method and apparatus using a laser beam in a microscope system
JPH05322561A (ja) * 1992-05-15 1993-12-07 Olympus Optical Co Ltd 焦点検出装置
JPH11173821A (ja) * 1997-12-10 1999-07-02 Yasunaga Corp 光学式検査装置
CN1529123A (zh) * 2004-01-19 2004-09-15 哈尔滨工业大学 具有高空间分辨力的整形环形光束式差动共焦传感器
CN1971333A (zh) * 2006-10-11 2007-05-30 南开大学 采用虚拟针孔的共焦显微成像系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4650335A (en) * 1982-11-30 1987-03-17 Asahi Kogaku Kogyo Kabushiki Kaisha Comparison type dimension measuring method and apparatus using a laser beam in a microscope system
JPH05322561A (ja) * 1992-05-15 1993-12-07 Olympus Optical Co Ltd 焦点検出装置
JPH11173821A (ja) * 1997-12-10 1999-07-02 Yasunaga Corp 光学式検査装置
CN1529123A (zh) * 2004-01-19 2004-09-15 哈尔滨工业大学 具有高空间分辨力的整形环形光束式差动共焦传感器
CN1971333A (zh) * 2006-10-11 2007-05-30 南开大学 采用虚拟针孔的共焦显微成像系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN103292735B (zh) 2015-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103278093B (zh) 一种差动双区域共焦轴向测量装置
CN103926197B (zh) 高空间分辨双轴差动共焦图谱显微成像方法与装置
CN103411957B (zh) 高空间分辨双轴共焦图谱显微成像方法与装置
CN104568390B (zh) 双边错位差动共焦测量方法
CN102589851B (zh) 反射式共焦透镜焦距测量方法
CN109253989A (zh) 一种激光差动共焦层析定焦方法与装置
CN104567674B (zh) 双边拟合共焦测量方法
CN102589854B (zh) 反射式差动共焦透镜焦距测量方法
WO2019147936A1 (en) Systems and methods for non-destructive evaluation of optical material properties and surfaces
CN102589853B (zh) 自准直式差动共焦透镜焦距测量方法
CN102607820B (zh) 一种微透镜阵列焦距测量方法
CN102589852B (zh) 自准直式共焦透镜焦距测量方法
CN101852676B (zh) 多焦全息差动共焦超长焦距测量方法与装置
CN103471524B (zh) 共焦抛物面顶点曲率半径测量方法
CN102636118A (zh) 一种激光三差动共焦theta成像检测方法
CN103411557A (zh) 阵列照明的角谱扫描准共焦环形微结构测量装置与方法
CN104698068A (zh) 高空间分辨激光双轴差动共焦光谱-质谱显微成像方法与装置
CN113267252A (zh) 一种凝视型共聚焦显微形貌光谱四维探测系统
CN103471525B (zh) 差动共焦抛物面顶点曲率半径测量方法
CN103411555B (zh) 基于线阵角谱照明的并行共焦环形微结构测量方法
CN102053047A (zh) 可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法
CN109187491A (zh) 后置分光瞳差动共焦拉曼、libs光谱显微成像方法与装置
CN113483995A (zh) 一种自聚焦透镜折射率分布检测系统及方法
CN109540474A (zh) 后置分光瞳激光差动共焦焦距测量方法与装置
CN109520973A (zh) 后置分光瞳激光差动共焦显微检测方法及装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant