CN104990497B - 无刀口后焦偏置的偏心光束法主动离焦量探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无刀口后焦偏置的偏心光束法主动离焦量探测装置，包括激光器、光束整形透镜组、半透半反镜I、半透半反镜II、带通滤光镜I、透镜组I以及离焦量探测CCD。由于不存在激光光束遮挡刀口，本发明离焦量探测光斑将变为圆形，不会出现刀口衍射，并且光斑畸形对离焦量探测的影响会得到明显改善；通过离焦量探测光路的后焦偏置，成像光路在正对焦状态下圆形探测光斑仍会保持一定尺寸，光斑衍射影响不明显，将极大地改善正对焦位置附近的离焦量探测精度。

Description

无刀口后焦偏置的偏心光束法主动离焦量探测装置及方法

技术领域

本发明涉及显微镜对焦技术领域，具体是一种用于显微成像和测量的无刀口后焦偏置的偏心光束主动离焦量探测装置及方法。

背景技术

目前显微镜对焦方法主要分为主动对焦和被动对焦方法。偏心光束法离焦量探测是激光三角法测量的一种具体形式，具有结构廉价、计算简单的特点，在表面微观检测、非接触测量都有着广泛应用。但是，目前的偏心光束法离焦量探测光路都是采用刀口将圆形光束遮挡成半圆形光束的方式区分正离焦和负离焦状态，通过半圆探测光斑的偏心方向确定离焦方向，通过光斑的大小确定离焦量大小。其缺点包括：当离焦量趋近于零时激光光束衍射严重，难以形成理论上的点斑，严重影响了正对焦位置附近的离焦量探测精度；此外，半圆探测光斑容易出现刀口衍射、光斑变形等问题，光路加工调校精度要求很高且离焦量探测精度和可靠性较差。

发明内容

本发明针对偏心光束法离焦量探测技术中存在的不足，提供了一种无刀口后焦偏置的偏心光束主动离焦量探测装置及方法。该装置去掉了遮挡探测光束的刀口，探测光斑将变为圆形，不会出现刀口衍射，并且光斑变形对离焦量探测的影响会得到明显改善；通过离焦量探测光路的后焦偏置，成像光路在正对焦状态下圆形探测光斑仍会保持一定尺寸，光斑受衍射影响不明显，将极大地改善正对焦位置附近的探测精度。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种无刀口后焦偏置的偏心光束法主动离焦量探测装置，其特征在于，包括激光器、光束整形透镜组、半透半反镜I、半透半反镜II、带通滤光镜I、透镜组I以及离焦量探测CCD；其中：

所述激光器作为近红外光源，用于输出离焦量探测光束；

所述光束整形透镜组主要由共焦透镜组组成，所述离焦量探测光束通过光束整形透镜组进行整形、扩束、准直，形成圆形探测光束；

所述圆形探测光束依次经过半透半反镜I和半透半反镜II后进入物镜，并在样本表面照射后形成探测光斑并返回；

所述探测光斑经过依次经半透半反镜II、半透半反镜I、带通滤光镜I、透镜组I后在离焦量探测CCD上成像，形成离焦量探测光斑图像。

探测光束不存在刀口遮挡，其离焦量探测光斑为圆形。

离焦量探测CCD进行了后焦偏置，即离焦量探测CCD的靶面与透镜组I的后焦面平行，并向远离或靠近透镜组I一侧偏置。

当样本处于正对焦位置，显微视野下的样本表面经半透半反镜II、低通滤光镜II和透镜组II，在成像CCD上清晰成像时，离焦量探测CCD上的圆形光斑图像仍保持一定半径。

优选地，经过半透半反镜I和半透半反镜II的修正后光束与物镜光轴平行。

优选地，所述离焦量探测CCD进行后焦偏置，通常为即离焦量探测CCD的靶面与透镜组I的后焦面平行，并向远离透镜组I一侧偏置。

根据本发明的另一个方面，提供了一种无刀口后焦偏置的偏心光束法主动离焦量探测方法，采用上述无刀口后焦偏置的偏心光束法主动离焦量探测装置，根据圆形离焦量探测光斑的面积计算光斑半径，并通过光斑半径和离焦量的标定实现离焦量的探测。

优选地，所述无刀口后焦偏置的偏心光束法主动离焦量探测方法，具体包括如下步骤：

(1)圆形离焦量探测光斑的图像经过中值滤波降噪、最大类间差二值化处理后，提取圆形的主体光斑(以下简称主体圆斑)；

(2)通过图像连通域标记法剔除离焦量探测光斑的主体圆斑外的无意义分割小区域，保留主体圆斑大面积连通域，并通过曲率半径稳定性判别和多点圆弧插补剔除主体圆斑的边缘畸变凹凸；

(3)通过横向填充和纵向填充消除主体圆斑上的漏洞和暗环；

(4)通过主体圆斑的像素个数作为圆斑面积计算主体圆斑的半径，并以主体圆斑的半径为输入进行离焦量(输出)标定。

本发明提供的无刀口后焦偏置的偏心光束法主动离焦量探测装置及方法，激光器通常采用红外激光和圆形光斑输出；光束整形透镜组将激光器发出的圆形激光光束进行扩束整形，进而优化探测光斑的形状和质量；由于不存在刀口遮挡，离焦量探测光斑为近似圆形光斑；离焦量探测CCD进行了后焦偏置，即离焦量探测CCD靶面与透镜组I的后焦面平行，但不在同一个平面，通常选择离焦量探测CCD靶面在透镜组I的后焦面远离透镜组I的一侧；调节透镜组I的参数可以控制离焦量探测的灵敏度，改变后焦偏置的距离可以控制离焦量探测的线性范围；离焦量探测光斑图像经过降噪、图像二值化处理、光斑形变修复和光斑空洞填充等处理，进一步提高光斑的圆整度和完整度，提升光斑半径的计算精度；畸变边缘修复以探测光斑为理想圆形光斑为假想的光斑边缘整形，包括离散孤岛消除，边缘过渡平滑等步骤，主要目标是去除主体圆斑外孤岛和圆斑边缘畸变凹凸。光斑空洞填充以探测光斑为理想圆形光斑为假想的光斑内部缺损填充，主要目标是消除由样本表面缺陷和光路干涉、以及降噪和二值化处理，所导致光斑漏洞和暗环。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、去掉刀口后探测光斑将变为圆形，不会出现刀口衍射，并且光斑变形对离焦量探测的影响会得到明显改善；

2、通过离焦量探测光路的后焦偏置，成像光路在正对焦状态下探测光斑仍会保持一定尺寸，光斑衍射影响不明显，将极大地改善正对焦位置附近的探测精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明结构原理图。

图2是离焦量探测光斑的原始图像和预处理后提取的主体圆斑；图中，(a)为离焦量探测光斑原始图像，(b)为预处理后主体圆斑。

图中：1为样本，2为物镜，3为半透半反镜I，4为半透半反镜II，5为光束整形透镜组，6为带通滤光镜I，7为低通滤光镜II，8为透镜组I，9为透镜组II，10为离焦量探测CCD，11为成像CCD，12为激光器，A为离焦量探测模块，B为光斑暗环，C为光斑漏洞，D为边缘畸变。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例提供了一种无刀口后焦偏置的偏心光束法主动离焦量探测装置，包括激光器、光束整形透镜组、半透半反镜I、半透半反镜II、带通滤光镜I、透镜组I以及离焦量探测CCD(Charge-coupled Device，图像传感器)；其中：

所述激光器为830nm红外激光光源，用于输出离焦量探测光束；

所述光束整形透镜组主要由共焦透镜组组成，所述离焦量探测光束通过光束整形透镜组进行整形、扩束、准直，形成高质量的圆形探测光束；

所述圆形探测光束依次经过半透半反镜I和半透半反镜II后进入物镜，并在样本表面照射后形成探测光斑并返回；

所述探测光斑经过依次经半透半反镜II、半透半反镜I、带通滤光镜I、透镜组I后在离焦量探测CCD上成像，形成理论上为圆形的离焦量探测光斑图像；

所述离焦量探测CCD进行了后焦偏置，即离焦量探测CCD的靶面与透镜组I的后焦面平行，并向远离透镜组I一侧偏置；当样本处于正对焦位置，显微视野下的样本表面经半透半反镜II、低通滤光镜II和透镜组II，在成像CCD上清晰成像时，圆形离焦量探测CCD上的圆形光斑图像仍保持一定半径。

进一步地，经过半透半反镜I和半透半反镜II的修正后光束与物镜光轴平行。

进一步地，低通滤光镜II为750nm低通滤光片。

本实施例提供的一种无刀口后焦偏置的偏心光束法主动离焦量探测装置，其探测方法为，根据离焦量探测主体圆斑的面积计算光斑半径，并通过光斑半径和离焦量的标定实现离焦量的探测。

进一步地，所述无刀口后焦偏置的偏心光束法主动离焦量探测方法，具体包括如下步骤：

(1)圆形离焦量探测光斑的图像经过中值滤波降噪、最大类间差二值化处理后，提取圆形的主体光斑(以下简称主体圆斑)；

(2)通过图像连通域标记法剔除主体圆斑外的无意义分割小区域，保留主体圆斑大面积连通域，并通过曲率半径的稳定性判别剔除主体圆斑的边缘畸变凹凸；

(3)通过横向(X向)填充和纵向(Y向)填充消除主体圆斑上的漏洞和暗环；

(4)通过主体圆斑的像素个数作为圆斑面积计算主体圆斑的半径，并以主体圆斑的半径为目标函数进行离焦量标定。

下面结合附图对本实施例进一步描述。

本实施例提供的无刀口后焦偏置的偏心光束法主动离焦量探测装置及方法，是一个相对独立的显微镜主动离焦量探测模块和离焦量计算方法；

如图1所示，所述离焦量探测模块A包括激光器12、光束整形透镜组5、半透半反镜I3、半透半反镜II4、带通滤光镜I6、透镜组I8、离焦量探测CCD10；

所述激光器12为830nm红外激光器，光纤输出圆形光斑；

所述光束整形透镜组5由共焦透镜组组成，对圆形光斑进行整形、扩束、准直；

整形后光束经半透半反镜I3、半透半反镜II4进入物镜2系统，并在样本1表面照射，形成探测光斑并返回；

上述探测光斑经半透半反镜II4、半透半反镜I3、带通滤光镜I6、透镜组I8在离焦量探测CCD10上成像，形成理论上为圆形的离焦量探测光斑图像，如图2所不；

进一步的，带通滤光镜I6是一个带通滤波片，主要通过830nm左右的波段；

进一步的，离焦量探测CCD10靶面与透镜组I8后焦面平行，并向远离透镜组I8一侧偏置一定距离；

进一步的，当样本1处于正对焦位置，样本表面经过半透半反镜II、低通滤光镜II和透镜组II，在成像CCD11上清晰成像时，圆形探测光斑在离焦量探测CCD10上仍会保持一定的半径。

所述离焦量计算方法通过圆形探测光斑的面积计算光斑半径，并通过离焦量和圆形光斑半径的标定实现离焦量的高精度探测；

进一步的，离焦量探测光斑的图像经过中值滤波降噪、最大类间差二值化处理提取探测光斑中的主体圆斑；

进一步的，离焦量计算方法通过连通域标记剔除主体圆斑外孤岛，通过曲率半径稳定性判别和多点圆弧插补消除光斑边缘畸变凹凸；

进一步的，离焦量计算方法通过横向(X向)填充和纵向(Y向)填充消除光斑漏洞和暗环；

进一步的，离焦量计算方法通过主体圆斑像素个数计算光斑面积，并进行半径计算和离焦量标定。

在本实施例中：

离焦量探测光束不存在光束遮挡刀口；

由于不存在刀口遮挡，探测光斑为圆形光斑；

离焦量探测CCD进行了后焦偏置，离焦量探测CCD靶面与透镜组I的后焦面平行，但不在同一个平面；

当样本处于正对焦位置，圆形离焦量探测光斑在离焦量探测CCD上仍会保持一定的半径；

通过圆形光斑的面积计算光斑半径，并通过离焦量和光斑半径的标定实现离焦量的高精度探测；

离焦量探测光斑图像经过降噪、图像二值化处理、光斑形变修复和光斑空洞填充等处理，进一步提高探测光斑的圆整度和完整度，提升光斑半径的计算精度；

以探测光斑为理想圆形光斑为假想的光斑边缘整形，包括离散孤岛消除，边缘过渡平滑等步骤，主要目标是去除主体圆斑外的孤岛和光斑边缘畸变凹凸。

光斑空洞填充以探测光斑为理想圆形光斑为假想的主体圆斑内部缺损填充，主要目标是消除由样本表面缺陷和光路干涉、以及降噪和二值化处理，所导致的光斑漏洞和暗环。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种无刀口后焦偏置的偏心光束法主动离焦量探测方法，其特征在于，采用无刀口后焦偏置的偏心光束法主动离焦量探测装置，根据离焦量探测主体圆斑的面积计算光斑半径，并通过光斑半径和离焦量的标定实现离焦量的探测；

所述无刀口后焦偏置的偏心光束法主动离焦量探测装置，包括激光器、光束整形透镜组、半透半反镜I、半透半反镜II、带通滤光镜I、透镜组I以及离焦量探测CCD；其中：

所述激光器作为近红外光源，用于输出离焦量探测光束；

所述光束整形透镜组主要由共焦透镜组组成，所述离焦量探测光束通过光束整形透镜组进行整形、扩束、准直，形成圆形探测光束；

所述圆形探测光束依次经过半透半反镜I和半透半反镜II后进入物镜，并在样本表面照射后形成探测光斑并返回；

所述探测光斑经过依次经半透半反镜II、半透半反镜I、带通滤光镜I、透镜组I后在离焦量探测CCD上成像，形成圆形的离焦量探测光斑图像；

具体包括如下步骤：

(1)离焦量探测光斑的图像经过中值滤波降噪、最大类间差二值化处理后，提取圆形主体光斑；

(2)通过图像连通域标记法剔除离焦量探测光斑上圆形主体光斑外的无意义分割小区域，保留圆形主体光斑大面积连通域，并通过曲率半径稳定性判别和多点圆弧插补剔除圆形主体光斑的边缘畸变凹凸；

(3)通过横向填充和纵向填充消除圆形主体光斑上的漏洞和暗环；

(4)通过圆形主体光斑的像素个数作为圆斑面积计算圆形主体光斑的半径，并以圆形主体光斑的半径为输入进行离焦量标定。

2.根据权利要求1所述的无刀口后焦偏置的偏心光束法主动离焦量探测方法，其特征在于，所述无刀口后焦偏置的偏心光束法主动离焦量探测装置中，离焦量探测CCD进行了后焦偏置，即离焦量探测CCD的靶面与透镜组I的后焦面平行，并向远离或靠近透镜组I一侧偏置。

3.根据权利要求2所述的无刀口后焦偏置的偏心光束法主动离焦量探测方法，其特征在于，当样本处于正对焦位置，显微视野下的样本表面经半透半反镜II、低通滤光镜II和透镜组II，在成像CCD上清晰成像时，离焦量探测CCD上的圆形光斑图像仍保持有半径。