CN105865347A - 分瞳移焦型共焦显微差分测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分瞳移焦型共焦差分测量方法与装置，属于超精密测量与三维成像领域。该装置解决了常用的基于偏振分光棱镜分光的差动共焦系统集成度低、两个针孔探测器探测同步性难以保证的问题。本发明装置主要包括线偏振光源系统、棱镜分光测量系统、分瞳式相位滤波器共焦探测系统；该装置利用一维相位光栅分出两束完全相同的测量光束，利用分瞳式相位光瞳滤波器的不同光瞳区域实现光强响应轴向正、负向平移，最后利用CCD相机实现同步采集。本发明方案：根据相位光瞳滤波器的移焦效应原理、光栅衍射分光理论以及软针孔探测方法，同时对两路测量光束实现正、负移焦，再进行作差计算，从而实现绝对位置的高精度测量。本发明稳定性好、同步性高，能实现共光路、高集成度测量与成像。

Description

分瞳移焦型共焦显微差分测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于分瞳移焦相位光瞳滤波器的共焦测量方法与装置，属于超精密位移测量与三维显微成像领域。

背景技术

激光共焦显微成像技术作为一种具有非接触、高轴向分辨力的三维成像方法，在光学精密测量领域具有广泛的应用，在保证其测量分辨力的基础上对其结构的小型化要求也在不断提升。

为有效提高共焦显微测量系统的轴向分辨力，国内外学者进行了大量的研究，其中较为典型的一种方法是采用差动共焦显微探测技术，该方法是利用分光元件对探测光束进行分束，改变针孔和探测器的位置，实现焦前和焦后探测。如专利：具有空间分辨力的差动共焦扫描检测方法(专利号：ZL200410006359.6)，利用分光棱镜对探测光进行分束，将针孔和探测器分别放置在分束后的两束光的焦前与焦后相对称的位置，实现差动共焦显微测量。为进一步提高共焦显微测量的轴向分辨力，提高成像对比度，专利：一种差动双区域共焦轴向测量装置(专利号：201310229370.8)，提出利用双区域比例输出探测器接收正负离焦后的光强信息，该装置可有效抑制共焦系统中乘性噪声，提高了系统轴向分辨力。此外专利：复色超分辨差动共焦测量方法与装置(专利号：ZL200710301423.7)，专利：差动共焦系统球差测量方法(专利号：201210140889.4)均采用两路探测针孔对称离焦放置，以实现差动共焦显微测量。

在上述方法中针孔相对于收集透镜的焦面位置是其关键所在，实际应用中该位置的调整非常困难，如位置调整不当直接影响最后的测量结果的准确性。此外，上述装置的光路结构复杂，不易于将其小型化。

发明内容

针对上述差动共焦装置存在的问题，本发明设计了一种分瞳移焦型共焦显微差分测量方法与装置，该装置不仅具备高轴向探测灵敏度，能够抑制共焦系统中共模噪声的影响；而且可简化装置结构，提高测量同步性，降低系统装调难度。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种分光瞳式差分共焦测量装置，包括激光光源、准直扩束镜、偏振分光棱镜、1/4波片、测量物镜、一维光栅、分瞳式相位光瞳滤波器、收集物镜、CCD相机。

He-Ne单频激光器发出的线偏振光，被准直扩束之后，经过偏振分光棱镜变成P偏振光，再通过1/4波片，转变为右旋圆偏振光入射到样品表面，经由样品反射回到1/4波片，再次转换为S偏振光经由偏振分光棱镜反射，垂直入射到一维光栅表面，经光栅分光后，利用光阑选取完全相同的±1级的两束倾斜平行光；两束光分别入射到分瞳式相位光瞳滤波器左右两边的光瞳，同时实现正移焦与负移焦，利用CCD相机对两光瞳的光强信息进行成像，最后利用软针孔处理两路共焦信号，通过两路信号的差分处理得到被测物的离焦位置信息。

本发明进一步的改进在于，选取的一维光栅占空比为1/2，可去除零级和偶级次的相位光栅，将其±1级衍射光作为探测器接收的入射光束，与同一收集镜相结合构成双路共焦显微系统；

本发明进一步的改进在于，分光瞳式相位光瞳滤波器是2个关于入瞳中心对称分布的，能实现共焦显微系统轴向响应曲线平移的相位光瞳滤波器。

一种分瞳移焦型共焦显微差分测量方法及装置，其测量方法如下：

首先将被测样品表面放置于本装置的测量物镜的焦面附近，由本装置获得差分光强值；然后利用本装置差分光强值与被测表面的离焦距离的特性曲线，可获得被测面的离焦距离。理论上，当被测面位于测量物镜焦面时，由本装置获得的差分光强值为0。利用这种分瞳移焦型共焦显微差分测量装置既可以实现对被测面的位移、表面形貌等几何量的高精度测量，也可以用于物体三维成像。

本发明具有以下显著特点和有益效果：

1、在探测光路中，采用一维相位光栅作为分光元件，将信号光分成两路并经过同一收集镜，形成双路信号输出，最后由同一CCD对两路信号进行采集，该结构紧凑，使系统易于小型化。

2、利用分瞳式相位光瞳滤波器同步实现两路共焦信号轴向响应特性的对称平移，根除了以往系统装调中针孔轴向位置难以准确调整的问题。

3、利用CCD相机构成双路软针孔探测器，可同时采集正、负移焦的两路光强信息，提高了信息采集的同步性；此外，由于系统装调中各光学元件不同轴，被测面移动时引起光斑中心横向位置变化，利用软针孔代替硬针孔可有效解决光斑位置变化引起的探测不准确的问题。

附图说明

附图1为分瞳移焦型共焦显微差分测量装置图。

图中件号说明：1-激光器、2-扩束镜、3-偏振分光棱镜、4-1/4波片、5-测量物镜、6-样品、7-一维光栅、8-分光光阑、9-分瞳式相位光瞳滤波器、10-收集物镜、11-CCD。

附图2为光栅分光结构示意图。

图2a为一维光栅结构图以及三维放大图，图2b为分光光阑结构图。

附图3为分瞳式相位光瞳滤波器示意图，a为正光瞳，b为负光瞳。

附图4为分瞳移焦型共焦显微光路的轴向光强响应曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明整体实施实例作详细说明。其具体实现过程是：

如附图1所示，首先激光光源1输出的线偏振光，经过准直扩束镜2变成平行均匀的较大光斑，光斑经过由偏振分光棱镜3、1/4波片4和测量物镜5、样品6组成的测量臂，携带有测量信息的圆偏振光重新穿过1/4波片4转变成S偏振光，通过偏振分光棱镜3垂直入射到一维光栅7(如附图2a所示)，入射光发生衍射，光阑8(如附图2b所示)选取实验所需的±1级衍射光，遮挡其他级次的衍射光。分出的+1级衍射光入射到对应的分瞳式相位光瞳滤波器9(如附图3所示)的光瞳区域，共焦轴向响应曲线发生正向平移；分出的-1级衍射光入射到对应的分瞳式相位光瞳滤波器9的光瞳区域，使共焦轴向响应曲线发生负向平移。此时的两束光由处于收集物镜10的焦距处的CCD相机11同时成像，完成对发生正、负轴向平移的光强信息的采集。

当被测物表面沿着测量光光轴在测量范围内进行轴向移动时，可同时获得两路共焦光强信号随位移变化的特性曲线，如附图4所示，其中I_a(u+u_M)、I_b(u+u_M)分别为正、负向平移的共焦系统轴向响应曲线，两路信号进行相减处理，即可得到差分光强信号随被测物面离焦量变化的光强分布曲线I_diff(u)，该曲线表征了被测物表面位置与本装置的差分光强信号的关系。

本实施实例中光瞳滤波器为相位型光瞳滤波器，其光瞳函数为：

上式是以子光瞳圆心为坐标原点建立的函数，n为分瞳式位相滤波器对应的光瞳，表示为相位透过率,r表示子光瞳各个环的半径。

利用这种分瞳移焦型共焦显微差分测量装置既可以实现对位移、表面形貌等几何量的高精度测量，也可以用于物体三维成像。

对被测物位移进行测量的过程主要包括如下步骤：

步骤1、首先将被测物表面放置于本装置测量物镜5的焦面附近，并记录此时本装置的差分光强值，利用本装置的差分光强信号与被测面位置的关系获得当前位置值；

步骤2、当被测物沿轴向移动后，利用本装置获得该位置处的测量光强；

步骤3、利用本装置的差分光强信号与被测面位置的光强关系，可获得被测物的位置值，从而可获得被测物的位移量。

对被测物表面三维形貌进行测量的过程主要包括如下步骤：

步骤1、首先将被测物表面放置于本装置测量物镜5的焦面附近，获得该扫描点的位置；

步骤2、利用压电陶瓷微位移装置使被测样品做横向步进移动，并移动一个步长；

步骤3、利用本装置获得该位置的差分光强测量值I_diff，

步骤4、然后利用差分共焦轴向响应特性曲线，可以获得被测表面该扫描点的位置值

步骤5、重复步骤2～4，对被测物表面做二维扫描测量，可以实现对样品三维形貌的测量。

此实施实例满足小型化、高分辨力测量；同时简化系统结构，使得共焦轴向响应特性的移焦量可控，提高系统采集同步性，能够一定程度抑制外界环境振动的影响。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制本发明的范围。

本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.分瞳移焦型共焦显微差分测量方法，其特征为：

基于共焦显微系统，在探测光路中利用一维衍射光栅将携带被测面位置信息的测量光分成两路，经过分瞳式相位光瞳滤波器的不同区域后，分别发生正、负向移焦，最后由CCD构成的软针孔进行探测，在探测空间上，可同时获得两路具有共轭移焦量的共焦显微光强信号。由以下公式

$h(u,v)={\∫}_0^{1}P\left(\mathrm{\ρ}\right)\exp ({\mathrm{iu\ρ}}^2/2)J_0\left(v\mathrm{\ρ}\right)\mathrm{\ρ}d\mathrm{\ρ}---\left(1\right)$

I_a(u,v)＝|h(u,v)|²×|h(u+u_M,v)|² (2)

I_b(u,v)＝|h(u,v)|²×|h(u-u_M,v)|² (3)

I_diff(u,v)＝I_a(u,v)-I_b(u,v)＝|h(u,v)|²×(|h(u+u_M,v)|²-|h(u-u_M,v)|²) (4)

得到差分共焦光强信号与样品表面离焦位置的关系。h(u,v)表示焦点附近的点扩散函数，P(ρ)表示光瞳透过率函数，±u_M表示由于相位光瞳滤波器引入的轴向归一化离焦量，I_a(u,v)为正光瞳对应共焦系统的探测光强，I_b(u,v)为负光瞳对应共焦系统的探测光强，I_diff(u,v)表示差分共焦光强响应。

2.分瞳移焦型共焦显微差分测量装置，其特征在于：包括照明光路和探测光路，所述的照明光路沿光束传播方向依次设置为：线偏振光源⑴、准直扩束镜⑵，偏振分光棱镜⑶、λ/4波片⑷、测量物镜⑸样品⑹；

所述的探测光路包括：一维衍射光栅⑺、光阑⑻、分瞳式相位光瞳滤波器⑼、收集物镜⑽和CCD相机⑾构成的共焦显微差分测量部分。

3.根据权利要求2所述的分瞳移焦型共焦显微差分测量装置，其特征在于：

分瞳式相位光瞳滤波器为相位型或复振幅型相位滤波器，其具有移焦效应，可改变探测光路的点扩展函数；分瞳式相位光瞳滤波器是由2个关于测量物镜入瞳中心对称分布的圆形子光瞳构成。

4.根据权利要求2所述的分瞳移焦型共焦显微差分测量装置，其特征在于：

一维衍射光栅为透射式矩形相位光栅，其占空比为1/2，可获取等光强的±1级衍射光，由此将测量光分为两路。