CN109059762B - 一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法，搭建光谱共焦测量装置，用菲涅尔波带片代替透镜或透镜组进行直接色散聚焦；对标准平面反射镜的轴向位置监测，标定菲涅尔波带片线性轴向聚焦范围和光谱共焦测量装置的波长‑位置关系；标准平面反射镜更换为待测样品，将样品被测表面置于装置的测量范围内进行测量；复合光光源通过菲涅尔波带片沿轴向色散产生对应于不同波长的色带，聚焦于样品表面的焦点所对应波长的光场沿原光路返回，光谱仪探测到其返回信号强度点扩散函数，利用质心法计算峰值坐标位置，根据波长‑位置校准曲线得到样品测量点的位置信息。本发明与传统的光谱共焦测量相比，具有结构简单、设计灵活、成本低廉等优点。

Description

一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体涉及一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法。

背景技术

共焦显微技术(Confocal Microscopy)是实现光学层析显微技术的最典型方法，最早的共焦显微成像装置于20世纪50年代中后期由美国哈佛大学初级研究员M.Minsky提出于1961年，并获得美国发明专利权。光谱共焦技术利用共焦显微技术的共焦原理，并利用色散聚焦原理相结合的一种测量方法，与共焦显微技术相比，光谱共焦技术不需要轴向扫描装置，简化了其结构。目前，光谱共焦技术在现代生物及医学、物理、化学、材料科学、纳米技术、精密测量等领域产生了深远影响。

光谱共焦测量方法的突出特点是采用复色光色散聚焦产生的轴向焦点宽带进行探测，其结构上一般由五个部分组成：复色光光源、光纤或点光源针孔、色散聚焦系统、光谱检测系统和应用软件系统。其中色散聚焦系统是光谱共焦测量方法的重要的一个系统，影响到测量的精度和测量范围，传统的色散聚焦系统由透镜组进行色散、聚焦。在该色散聚焦系统中透镜质量与系统的装调质量严重影响着被测物体内各测点位置信息的采集效果及其成像的清晰度。因此，为了有效减小由于成像装置的装调质量引起的测量误差，有必要提出一种能达到上述目的的检测技术。

中国发明专利(申请号：201611127494.5)中提出了一种波长扫描共焦微位移测量装置及方法，采用菲涅尔波带片，通过步进改变波长，进而让焦点位置改变进行扫描样品测量微位移，其本质基于共焦原理与装置，但未采用复色光照明，未采用光谱分光成像与共焦探测相结合的光谱共焦方法实现样品表面形貌测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法，采用菲涅尔波带片实现复合光的色散聚焦，采用光谱分光成像与共焦探测相结合的方法实现样品表面高度测量，与传统的光谱共焦测量相比，具有结构简单、设计灵活、成本低廉等优点。

本发明采用以下技术方案：

一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法，包括以下步骤：

S1、搭建光谱共焦测量装置，用菲涅尔波带片代替透镜或透镜组进行直接色散聚焦；

S2、步骤S1完成后，对标准平面反射镜的位置进行监测，移动反射镜位置，每次移动反射镜光谱共焦装置均进行多次信号采集测量，光谱仪探测返回信号光场强度点扩散函数并利用质心法计算峰值坐标位置得到每次测量的返回信号波长；

S3、根据步骤S2中每次反射镜移动多次信号测量的平均峰值波长与对应标准平面反射镜位置计算线性相关系数，并进行曲线拟合，得到菲涅尔波带片线性色散聚焦范围及波长-位置关系曲线；

S4、将标准平面反射镜换成待测样品，并使样品被测表面位于有效测量范围内；复合光光源通过菲涅尔波带片沿轴向色散聚焦产生对应于不同波长的色带，聚焦于样品表面的焦点所对应波长的光场沿原光路返回，由光谱仪探测其返回信号强度点扩散函数，利用质心法计算峰值坐标位置得到返回信号波长，根据波长-位置曲线得到样品表面测量点的位置信息。

具体的，步骤S2中，测量点信号采集次数根据波长-位置曲线拟合精度确定；反射镜移动位置坐标z_i表示如下：

z_i＝z₀+Δz

其中，Δz＝md，m＝0，±1,±2,±3…，z₀为主焦距位置坐标，d为移动反射镜相邻的位置间隔距离，0＜d＜f/50，f为主焦距。

具体的，步骤S3具体如下：

从主焦距位置z₀开始向两侧拓展进行反射镜移动，每次移动利用多次信号采集测量的平均峰值波长和反射镜坐标位置绘制波长-坐标位置数据表，计算线性相关系数r；直到计算的线性相关系数|r|＜0.99，停止移动反射镜；

取其满足|r|≥0.99数据表中最短波长与最长波长对应的反射镜轴向坐标距离之差的绝对值为菲涅尔波带片的线性色散聚焦范围，并进行数据拟合得到波长-位置曲线。

进一步的，平均峰值波长和反射镜坐标位置的线性相关系数r计算如下：

其中，λ_i为每次移动反射镜后经多次信号采集的平均峰值波长，z_i为反射镜坐标位置，l为波长-坐标位置数据表样本个数，为样本反射镜坐标位置的平均值，为样本平均峰值波长的平均值。

进一步的，平均峰值波长和反射镜坐标位置的线性最小二乘拟合如下：

样本数据(λ_i，z_i)，拟合直线z＝aλ+b，系数a和b计算如下：

具体的，步骤S4中，有效测量范围内为样品表面位于复合光光源经光学系统通过菲涅尔波带片产生的轴向色带线性区间范围内。

具体的，菲涅尔波带片为大数值孔径菲涅尔波带片，数值孔径NA大于等于0.5。

进一步的，菲涅尔波带片的环带半径r_n计算如下：

其中，n＝0,1,2,...,N，N为最大环带数，λ₀为照明波长，覆盖极紫外至红外波段，f为菲涅尔波带片主焦距，焦距f大于等于λ₀；

菲涅尔波带片的等效数值孔径NA按照最大会聚半角α定义如下：

NA＝ηsinα

其中，α满足tanα＝r_N/f，r_N为最外环外径，η为菲涅尔波带片工作介质的折射率。

具体的，光谱共焦测量装置采用连续光或非连续复合光的复合光光源，经过光谱共焦测量装置后聚焦至样品或标准平面反射镜上。

进一步的，光谱共焦测量装置复合光光源的波长范围在波长-位置标定时选用红外至紫外波长范围，测量时复合光光源的波长范围包括菲涅尔波带片的线性色散聚焦波长区间。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法，利用光谱共焦测量原理，通过菲涅尔波带片对复合光光源的色散聚焦实现对被测量物体的高度测量，实现了光谱共焦显微成像，与现有的光谱共焦显微测量方法的不同点在于没有采用透镜实现复色光的色散聚焦，区别于传统光谱共焦测量方法采用透镜或透镜组进行色散聚焦，显著简化了光谱共焦测量装置结构，设计更加灵活，无需色散聚焦镜头，可用于微结构三维形貌、微位移的精密测量，特别是可实现低反射率透明物体的三维测量。

进一步的，光谱共焦装置后放置双频激光干涉仪对标准平面反射镜的位置进行监测，移动反射镜位置，每次移动反射镜光谱共焦装置进行多次信号采集测量，光谱仪探测返回信号光场强度点扩散函数并利用质心法计算峰值坐标位置得到每次测量的返回信号波长，该设置可以监测反射镜的移动位置并且可以得到返回信号强度点扩散函数的峰值坐标位置进而得到返回信号波长，实现了光谱仪对返回信号的探测，且进行多次信号采集提高了返回信号波长的探测精度。

进一步的，取每次反射镜移动多次采集信号的平均峰值波长与对应标准平面反射镜位置计算线性相关系数，并进行曲线拟合，得到菲涅尔线性色散聚焦范围，充分利用菲涅尔波带片线性色散范围进行测量；并得到波长-位置关系，实现了波长与被测物体表面高度位置的一种对应关系的精确编码。

进一步的，将标准平面反射镜换成待测样品，并使样品被测表面位于有效测量范围内，复合光光源通过菲涅尔波带片沿轴向色散聚焦产生对应于不同波长的色带，聚焦于样品表面的焦点所对应波长的光场沿原光路返回，由光谱仪探测其返会信号强度点扩散函数，利用质心法计算峰值坐标位置得到返回信号波长，根据波长-位置曲线得到样品表面测量点的位置信息。测量系统能够根据标定的波长-位置的对应关系曲线，通过探测返回信号的波长快速化解码得到其位置信息，实现了一种快速化、精密性测量过程。

进一步的，使样品被测表面位于有效测量范围内，可以使样品表面测量点都置于菲涅尔波带片的轴向线性聚焦范围内，保证了测量的有效性，避免了探测光未能返回光谱仪而造成测量的失效。

进一步的，菲涅尔波带片为大数值孔径菲涅尔波带片，结合复合光光源可以形成线性化良好的轴向焦点，且数值孔径大于等于0.5时，菲涅尔波带片只有一个聚焦焦点，极大的满足了该测量方法的原理要求与精度要求。

进一步的，光谱共焦测量装置复合光光源的波长范围在波长-位置标定时应选用红外至紫外波长范围，标定出菲涅尔波带片线性色散聚焦范围；测量时复合光光源的波长范围包括菲涅尔波带片的线性色散聚焦波长区间，充分利用菲涅尔波带片的线性色散聚焦区间。

进一步的，采用连续光或非连续复合光的复合光光源，通过对复合光源的色散聚焦，实现沿轴向色散产生对应于不同波长的色带，利用光谱共焦原理进行测量，不需要轴向扫描装置，简化了结构，减小了轴向扫描装置产生的系统误差。

综上所述，本发明与传统的光谱共焦测量相比，具有操作简单、性能稳定等优点，可有效降低装置的装调误差，有利于提高装置的成像效果。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明原理示意图；

图2为本发明菲涅尔波带片结构示意图。

其中：1.复色光光源；2.透镜组；3.光谱仪；4.光纤；5.光纤耦合器；6.准直透镜；7.菲涅尔波带片；8.标准平面反射镜或样品。

具体实施方式

本发明提供了一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法，利用光谱共焦测量原理，由复合光光源经光学系统通过大数值孔径菲涅尔波带片沿轴向色散产生对应于不同波长的色带，区别于传统光谱共焦测量方法采用透镜或透镜组进行色散聚焦，显著简化了光谱共焦测量装置结构，设计更加灵活，无需色散聚焦镜头，可用于微结构三维形貌、微位移的精密测量，特别是可实现低反射率透明物体的三维测量。

请参阅图1，本发明一种菲涅尔波带片光谱共焦测量装置，包括复合光光源1、透镜组2、光谱仪3、光纤4、光纤耦合器5、准直透镜6、菲涅尔波带片7、标准平面反射镜或样品8；光纤耦合器5设置在透镜组2和准直透镜6之间，菲涅尔波带片7设置在准直透镜6的另一侧，复合光光源1依次经透镜组2、光纤4、光纤耦合器5、准直透镜6和菲涅尔波带片7后汇聚在标准平面反射镜或样品8上，光纤耦合器5通过光纤4与光谱仪3连接。

菲涅尔波带片7的设计灵活简便，且菲涅尔环带片7可利用现有成熟的微加工工艺即可实现菲涅尔波带片的批量制造，成本低廉，从而显著简化了光谱共焦测量装置结构，设计更加灵活，菲涅尔波带片可通过改变的焦距、设计波长、环带数量，可以使菲涅尔波带片轴向线性色散聚焦范围扩大，充分利用菲涅尔波带片的线性色散范围进行测量。

本发明一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法，采用光谱共焦测量装置及原理，包括以下步骤：

S1、搭建光谱共焦测量装置，用菲涅尔波带片代替透镜或透镜组进行直接色散聚焦；

复合光光源1采用连续光或非连续复合光，用单片大数值孔径菲涅尔波带片7代替透镜或透镜组进行直接色散聚焦；

按照菲涅尔波带片环带半径r_n计算如下：

其中，n＝0,1,2,...,N，N为最大环带数，λ₀为照明波长，覆盖极紫外至红外波段，f为菲涅尔波带片主焦距，焦距f大于等于λ₀；

菲涅尔波带片的等效数值孔径NA按照最大会聚半角α定义如下：

NA＝ηsinα

其中，α满足tanα＝r_N/f，r_N为最外环外径，η为菲涅尔波带片工作介质的折射率。

菲涅尔波带片为大数值孔径菲涅尔波带片，数值孔径大于等于0.5。

S2、光谱共焦装置后放置双频激光干涉仪对标准平面反射镜的位置进行监测，移动反射镜位置，每次移动反射镜光谱共焦装置进行多次信号采集测量；光谱仪探测返回信号光场强度点扩散函数并利用质心法计算峰值坐标位置得到每次测量的返回信号波长；

测量点信号采集次数根据波长-位置曲线拟合精度确定；反射镜移动位置坐标z_i表示如下：

z_i＝z₀+Δz

Δz＝md

其中，m＝0，±1,±2,±3…，z₀为主焦距位置坐标，d为移动反射镜相邻的位置间隔距离，0＜d＜f/50。

移动反射镜相邻的位置间隔距离d越小或测量点采集次数越多，拟合的精度越高。

质心法计算表示如下：

其中，y表示质心位置，t表示CCD上第t个像元，I_t表示第t个像元上的灰度值，k为像元个数。

S3、每次移动反射镜多次信号采集的平均峰值波长与对应标准平面反射镜位置计算线性相关系数，并进行曲线拟合，得到菲涅尔波带片线性色散聚焦范围及波长-位置关系；

从主焦距z₀位置开始向两侧拓展进行反射镜移动，每次移动利用多次信号采集的平均峰值波长和反射镜坐标位置绘制波长-坐标位置数据表，计算线性相关系数；

变量(λ_i，z_i)线性相关系数计算如下：

其中λ_i为每次步进多次信号采集的平均峰值波长，z_i为反射镜坐标位置，l为波长-坐标位置数据表样本个数，为样本反射镜坐标位置的平均值，为样本平均峰值波长的平均值。

直到计算的线性相关系数|r|＜0.99，停止移动反射镜；

取其满足|r|≥0.99数据表中最短波长与最长波长对应的反射镜轴向坐标距离之差的绝对值为菲涅尔波带片的线性色散聚焦范围；

进行数据拟合得到波长-位置曲线；

线性最小二乘拟合如下：

样本数据(λ_i，z_i)，拟合直线z＝aλ+b，系数a和b计算如下：

S4、对样品进行测量；

将标准平面反射镜换成待测样品，并使样品被测表面位于有效测量范围内，复合光光源1通过菲涅尔波带片7沿轴向色散产生对应于不同波长的色带，聚焦于样品表面的焦点所对应波长的光场沿原光路返回，由光谱仪3探测其返回信号强度点扩散函数，利用质心法计算峰值坐标位置得到返回信号波长，根据波长-位置曲线得到样品表面测量点的位置信息。

有效测量范围内样品表面位于复合光光源1经光学系统通过菲涅尔波带片7产生的轴向色带线性区间范围内。

本发明利用了光谱共焦显微成像原理，但和现有的光谱共焦显微成像装置不同点在于本发明的色散系统中没有透镜组件；在本装置中，首先复合光经过光学系统，最终通过菲涅尔波带片后不同的波长的光产生轴向聚焦色带，以实现复合色光的色散；利用共焦原理，反射回的单色光通过光学系统返回到光谱仪中进行分辨，通过提前标定好波长-位置关系，以实现对被测量物体的高度测量。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

透镜组2的放大倍数为1/50；光纤4为内径50μm的多模光纤，光纤耦合器5为4口的光纤耦合器，光谱仪3选用350～700nm的光纤光谱仪；准直透镜6的数值孔径与多模光纤4数值孔径NA相匹配，NA＝0.25；复合光光源1为白光LED，波长覆盖范围为430～660nm。

请参阅图2，菲涅尔波带片7为大数值孔径菲涅尔波带片，数值孔径应不小于0.5；菲涅尔波带片7的照明波长λ₀为633nm，焦距为5μm，环带数量为20。

工作过程如下：

430～660nm的复色光光源1经透镜组2后，光线经多模光纤4进入光纤耦合器5，然后经准直透镜6准直，最终通过菲涅尔波带片7后，由于菲涅尔波带片7对复色光不同波长色散聚焦特性产生沿轴向的不同焦点的色带，不同波长聚焦点轴向线性色带长度为2μm。

聚焦于样品表面的焦点对应波长的光场能够沿原光路返回，反射光被光谱仪3接收后，光谱仪3能够得到反射光场强度点扩散函数，利用质心法计算出反射信号的波长，测量装置根据反射光波长和被测物体的表面高度标定后拟合的波长-位置曲线，通过反射信号的波长来确定被测物体表面各点的位置。

通过改变菲涅尔波带片的焦距、设计波长、环带数量，可以使菲涅尔波带片轴向线性色散聚焦范围扩大，充分利用菲涅尔波带片的线性色散聚焦范围。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、搭建光谱共焦测量装置，用菲涅尔波带片代替透镜或透镜组进行直接色散聚焦；

S2、步骤S1完成后，对标准平面反射镜的位置进行监测，移动反射镜位置，每次移动反射镜光谱共焦装置均进行多次信号采集测量，光谱仪探测返回信号光场强度点扩散函数并利用质心法计算峰值坐标位置得到每次测量的返回信号波长；

S3、根据步骤S2中每次反射镜移动多次信号测量的平均峰值波长与对应标准平面反射镜位置计算线性相关系数，并进行曲线拟合，得到菲涅尔波带片线性色散聚焦范围及波长-位置关系曲线；

S4、将标准平面反射镜换成待测样品，并使样品被测表面位于有效测量范围内；复合光光源通过菲涅尔波带片沿轴向色散聚焦产生对应于不同波长的色带，聚焦于样品表面的焦点所对应波长的光场沿原光路返回，由光谱仪探测其返回信号强度点扩散函数，利用质心法计算峰值坐标位置得到返回信号波长，根据波长-位置曲线得到样品表面测量点的位置信息。

2.根据权利要求1所述的一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法，其特征在于，步骤S2中，测量点信号采集次数根据波长-位置曲线拟合精度确定；反射镜移动位置坐标z_i表示如下：

z_i＝z₀+Δz

其中，Δz＝md，m＝0，±1,±2,±3…，z₀为主焦距位置坐标，d为移动反射镜相邻的位置间隔距离，0＜d＜f/50，f为主焦距。

3.根据权利要求1所述的一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法，其特征在于，步骤S3具体如下：

从主焦距位置z₀开始向两侧拓展进行反射镜移动，每次移动利用多次信号采集测量的平均峰值波长和反射镜坐标位置绘制波长-坐标位置数据表，计算线性相关系数r；直到计算的线性相关系数|r|＜0.99，停止移动反射镜；

取其满足|r|≥0.99数据表中最短波长与最长波长对应的反射镜轴向坐标距离之差的绝对值为菲涅尔波带片的线性色散聚焦范围，并进行数据拟合得到波长-位置曲线。

4.根据权利要求3所述的一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法，其特征在于，平均峰值波长和反射镜坐标位置的线性相关系数r计算如下：

其中，λ_i为每次移动反射镜后经多次信号采集的平均峰值波长，z_i为反射镜坐标位置，l为波长-坐标位置数据表样本个数，为样本反射镜坐标位置的平均值，为样本平均峰值波长的平均值。

5.根据权利要求4所述的一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法，其特征在于，平均峰值波长和反射镜坐标位置的线性最小二乘拟合如下：

样本数据(λ_i,z_i)，拟合直线z＝aλ+b，系数a和b计算如下：

6.根据权利要求1所述的一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法，其特征在于，步骤S4中，有效测量范围内具体为样品表面位于复合光光源经光学系统通过菲涅尔波带片产生的轴向色带线性区间范围内。

7.根据权利要求1所述的一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法，其特征在于，菲涅尔波带片为大数值孔径菲涅尔波带片，数值孔径NA大于等于0.5。

8.根据权利要求1或7所述的一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法，其特征在于，菲涅尔波带片的环带半径r_n计算如下：

其中，n＝0,1,2,...,N，N为最大环带数，λ₀为照明波长，f为菲涅尔波带片主焦距，焦距f大于等于λ₀；

菲涅尔波带片的等效数值孔径NA按照最大会聚半角α定义如下：

NA＝ηsinα

其中，α满足tanα＝r_N/f，r_N为最外环外径，η为菲涅尔波带片工作介质的折射率。

9.根据权利要求1所述的一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法，其特征在于，光谱共焦测量装置采用连续光或非连续复合光的复合光光源，经过光谱共焦测量装置后聚焦至样品或标准平面反射镜上。

10.根据权利要求9所述的一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法，其特征在于，光谱共焦测量装置复合光光源的波长范围在波长-位置标定时选用红外至紫外波长范围，测量时复合光光源的波长范围包括菲涅尔波带片的线性色散聚焦波长区间。