CN110017968B - 高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦方法与装置，属于光学测量技术领域。其针对光学元件尺寸参数测量中元件内、外表面高精度、抗散射定焦的共性瓶颈问题，提出在共焦测量系统中，通过大、小虚拟针孔横向相减探测来锐化离焦探测光路系统的共焦特性曲线，通过双光路探测焦前和焦后锐化共焦特性曲线的差动相减处理来实现被测表面的差动共焦双极性定焦测量，通过差动共焦定焦曲线的线性拟合来提升焦点位置捕获精度，通过光线追迹模型补偿来减少各定焦表面间的相互干扰，进而实现被测光学元/部件内外表面的高精度层析定焦和精磨散射表面的高精度定焦，以期解决光学元件参数测量中高精度层析定焦这一共性瓶颈问题，该技术具有广泛应用前景。

Description

高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦方法与装置
技术领域
本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种高层析、抗散射的激光差动共焦层析定焦方法与装置，该方法可用于球面/非球面元件特别光学元/部件测量中各表面的精确定位，其为曲率半径、焦距、镜组间隔等元件参数的高精度测量奠定基础。该发明技术可广泛应用于元件/部件尺寸参数，特别是元件/部件大尺寸和超大尺寸参数的光学测量中。
技术背景
光学测量领域存在一个共性问题：由于受衍射极限的限制，制约了光学测量定焦能力的进一步提升，进而制约了检测仪器精度性能的改善提高。例如，球面光学元件参数测量中，除了面形参数之外，其曲率半径、透镜厚度、折射率、焦距、镜组间隔的高精度测量主要取决于光学测量元件界面间的定焦精度，特别是光学元件界面间的层析定焦精度。实际上，如何提高光学测量的定焦精度，特别是层析定焦精度，是光学元件测量领域亟待解决的关键共性问题。
清晰度法、临界角法和自准直干涉定焦等众多传统定焦瞄准方法中，自准直干涉定焦法由于具有较高的定焦灵敏度而在高精度的测量中被广泛应用，但现有干涉定焦法却存在以下致命的问题：
1)无层析定焦能力。干涉定焦主要用于元件表面的定焦瞄准，制约了其在透镜折射率、厚度和间隔等涉及内部界面参数测量的应用；
2)抗表面散射能力差。表面散射将破坏干涉形成条件，进而使干涉定焦难以适应非完善抛光表面光学元件、金属表面和陶瓷表面等测量领域，阻碍了干涉定焦测量方法的适应范围；
3)干涉定焦速度慢。基于全幅干涉定焦图像采集分析的干涉定焦法，势必降低光学定焦的速度与精度，难以实现快速定焦测量，导致测量时间长、系统漂移大，最终影响测量精度；
4)抗环境干扰能力差。干涉定焦法高灵敏的特征使其对环境气流扰动极度敏感，这在大尺寸的超长焦距和超大曲率半径测量中显得尤为突出，制约了其在大曲率半径和超长焦距测量中的应用。
而由美国学者M.Minsky于1957年提出的共焦显微技术，由于其点照明和点探测的新型成像机制，使共焦显微技术具有光学领域独特的层析成像能力、高分辨成像能力和抗样品散射能力，这就为光学层析定焦提供了基础和前提。
共焦显微镜的基本原理如图1所示，点光源发出的光经过分束镜、测量物镜在被测样品前表面聚焦，经被测样品反射的测量光束沿原路返回，再通过分束镜反射将来自样品的测量光聚焦到置于光电探测器前的针孔内，在光电探测器处形成点探测，光电探测器接收来自物镜焦点处的测量光，焦点以外的返回光被针孔遮挡。当被测样品位于物镜的焦平面时，光电探测器接收到的光强最大，当被测样品偏离焦平面时，反射光被聚焦在针孔前或后的某一位置，此时光电探测器仅接收少部分光能量，也就是说被测样品在离焦时探测到的光强要比在焦平面时弱，光电探测器测得共焦轴向响应曲线，共焦显微镜通过确定共焦轴向响应曲线的峰值点位置便可测得被测样品的高度位置。
共焦显微镜轴向分辨能力通常通过其共焦轴向响应曲线的半高宽FWHM来表征，FWHM越小，轴向分辨能力越强。但由于受衍射极限等因素的限制，仅通过增大物镜数值孔径NA和减小光波波长λ等来改善共焦显微镜轴向分辨的能力有限。
为了规避衍射焦深对轴向分辨能力和定焦精度的影响，本发明人曾申请并授权了中国发明专利“具有高空间分辨率的差动共焦扫描检测方法”(ZL200410006359.6)，并研制了相应的测量系统(见论文Optics Express,v12，n21,2004)，显著提升了共焦显微系统的轴向分辨能力和环境抗扰动能力，但是该专利技术主要针对显微成像技术领域。
针对大尺寸光学元件测量中精密定焦的共性问题，本发明人曾将用于微观测量领域的共焦显微成像原理进行了原理层面的再创新，在国际上首次成功地将显微成像测试领域的共焦显微技术开拓性地用于大尺寸的光学元件测量领域，相关论文发表在国际光学领域著名期刊Optics Express等上(Optics Express,v17,n22,2009；Optics Express,v18,n3,2010；Optics Express,v21,n19,2013)，同时还申请并授权了中国发明专利“共焦组合超长焦距测量方法与装置”(ZL 200810226967.6)、“差动共焦组合超长焦距测量方法与装置”(ZL200810226966.1)和“差动共焦内调焦法透镜光轴及厚度测量方法与装置”(ZL201010121848.1)等多项发明专利，但上述发明人论文和专利中所用的定焦方法对图2所示的长衍射焦深超大曲率半径和超长焦距测量定焦时仍然存在定焦灵敏度不高、抗环境干扰能力不足等问题。
为此，本发明针对超长焦距和超大曲率半径等超大尺寸测量中涉及的超衍射焦深层析定焦的瓶颈问题，提出横向相减差动共焦层析定焦新方法，该方法首先在CCD探测的艾丽斑图像上通过软件设置大、小虚拟针孔探测区(图像区)域并将其探测的两条共焦特性曲线进行相减处理来锐化共焦特性曲线，然后将放在探测光路焦前和焦后的横向相减探测系统分别得到的两条锐化共焦特性曲线再进行差动相减处理进而得到轴向高灵敏的差动共焦特性曲线，最后利用该差动共焦特性曲线零点与焦点精确定焦这一特性来对被测界面进行层析定焦，以期显著提升光学测量的定焦精度、定焦速度和抗散射能力，为超大曲率半径、焦距和镜组间隔等元件参数的高精度测量提供一种新的技术途径。
发明内容
本发明高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦方法与装置的目的是为了重点解决光学测量领域超长、超大元件测试中高精度层析定焦难题而提出，该方法的核心思想：在共焦测量系统中，通过大、小虚拟针孔横向相减探测来锐化离焦探测光路系统的共焦特性曲线，通过双光路探测焦前和焦后锐化共焦特性曲线的差动相减处理来实现被测表面的差动共焦双极性定焦测量，通过差动共焦定焦曲线的线性拟合来提升焦点位置捕获精度，通过光线追迹模型补偿来减少各定焦表面间的相互干扰，进而实现被测光学元/部件内外表面的高精度层析定焦和精磨散射表面的高精度定焦，以期在保证光学测量系统长工作距的前提下提升定焦灵敏度、层析能力和抗散射能力等。
本发明的目的是通过图3～图7所示的技术方案实现的。
如图3～图5所示，本发明所述的高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦方法，包括以下步骤：
a)打开点光源，点光源发出的光经分束镜、准直透镜和测量物镜后形成测量光束照射在被测样品上；
b)调整被测样品，使其与汇聚的测量光束共光轴，由被测面反射回来的光再通过测量物镜和准直透镜后被分束镜反射，反射的光束聚焦为测量光斑，并被横向相减差动共焦探测系统探测；
c)沿光轴方向移动被测样品，使汇聚的测量光束的焦点与被测样品的第一层析定焦表面顶点位置重合；在第一层析定焦表面顶点附近扫描被测样品；将横向相减差动共焦探测系统中焦前大虚拟针孔探测域探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线IB1(z,-uM)，和焦前小虚拟针孔探测域探测的焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线IS1(z,-uM)进行相减处理，得到半高宽压缩的焦前横向相减锐化共焦特性曲线I1(z,-uM)＝IS1(z,-uM)-γIB1(z,-uM)；将横向相减差动共焦探测系统中焦后大虚拟针孔探测域探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线IB2(z,+uM)，和焦后小虚拟针孔探测域探测的焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线IS2(z,+uM)进行相减处理，得到半高宽压缩的-焦后横向相减锐化共焦特性曲线I2(z,+uM)＝IS2(z,+uM)-γIB2(z,+uM)；其中z为轴向坐标，γ为调节因子；将焦后横向相减锐化共焦特性曲线I2(z,+uM)和焦前横向相减锐化共焦特性曲线I1(z,-uM)进行差动相减即能够得到轴向高灵敏的离散横向相减差动共焦特性曲线ID(z)：
ID(z)＝I2(z,+uM)-I1(z,-uM) (1)
其中z为轴向位移，uM为焦前CCD探测器(9)偏离焦前显微物镜(8)焦平面距离M的归一化距离，也是焦后CCD探测器(11)偏离焦后显微物镜(10)焦平面距离M的归一化距离。
通过离散横向相减差动共焦特性曲线ID(z)的拟合直线零点来确定测量汇聚光束精确定焦在被测样品的第一层析定焦表面顶点位置，进而精确确定测量光束的焦点位置Z1；
d)继续沿光轴方向移动被测样品，使汇聚的测量光束的焦点依次与被测样品的第二层析定焦表面至第N层析定焦表面顶点位置重合；重复步骤c)，在各层表面顶点位置附近沿光轴方向扫描被测样品，由横向相减差动共焦探测系统测得各层离散横向相减差动共焦特性曲线，通过差动共焦线性拟合直线的拟合直线零点来确定测量光束精确定焦在被测样品的各层表面顶点位置，依次精确确定测量光束的焦点位置Z2、…和ZN，进而实现N个表面的精确光学层析定位；
本发明所述的高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦方法，将横向相减差动共焦技术与光线追迹技术有机融合，建立光线追迹及其补偿模型，进而消除各层析定焦表面参数间的相互影响；如图4和公式2所示，rN为第N个表面SN的曲率半径，nN为第N个表面SN与第N+1个表面SN+1之间的材料折射率，dN-1为第N-1个表面SN-1与第N个表面SN之间的轴向间隙，lN′为SN顶点到SN出射线与光轴交点的距离，uN′为SN出射光线与光轴的夹角；
Figure GDA0002520115340000051
根据以上公式可递推计算出表面SN与SN+1之间的轴向间隙dN＝lN′，消除了各表面间几何和折射率参数对定焦精度的影响，实现N个表面的精确几何层析定位。
本发明所述的高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦方法，其特征在于：通过横向相减差动共焦探测系统得到焦前横向相减锐化共焦特性曲线和焦后横向相减锐化共焦特性曲线的过程如下：
a)在被测样品扫描过程中，通过焦前CCD探测器探测焦前测量艾里斑，以焦前测量艾里斑的重心为中心，在焦前CCD探测器每帧探测图像上选定焦前大虚拟针孔探测域，将焦前大虚拟针孔探测域中每个像素上的强度进行积分，得出焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线；
b)同时以焦前CCD探测器探测的焦前测量艾里斑重心为中心，选择另一个焦前小虚拟针孔探测域，所述焦前小虚拟针孔探测域的面积A区域包含于所述焦前大虚拟针孔探测域的区域，积分焦前小虚拟针孔探测域的强度得到另一条焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线，焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线的半高宽和峰值强度均低于焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线；
c)将焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线乘以系数γ，使得焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线光强是焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线的1/2倍；
d)将焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线减去乘系数γ后的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线，得到焦前横向相减锐化共焦特性曲线；
e)重复步骤a)～d)，对焦后CCD探测器探测到的焦后测量艾里斑进行处理，同样得到焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线，焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线横向相减锐化处理后，得到焦后横向相减锐化共焦特性曲线。
本发明所述的高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦方法，其特征在于：采用离散横向相减差动共焦特性曲线零点附近的离散测量数据进行线性拟合，通过拟合得到的差动共焦线性拟合直线的拟合直线零点位置来确定定焦位置，进而提升层析定焦精度、速度和抗散射能力。
本发明所述的高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦方法，其特征在于：采用环形光瞳对测量光束进行调制，形成环形测量光束，降低测量元件参数时系统波像差对测量光束的影响，提升层析定焦定焦误差。
本发明的一种高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦装置，其特征在于：包括点光源，位于点光源光轴方向的分束镜、准直透镜、测量物镜，和位于分束镜反射光方向的横向相减差动共焦探测系统、图像采集系统、主控计算机、多路电机驱动系统、与光轴平行放置的轴向测量运动系统和与光轴同轴放置的五维调整系统；点光源发出的测量光束依次经过分束镜、准直透镜和测量物镜后照射在被测样品表面；由被测样品反射回来的光再通过测量物镜和准直透镜后进入横向相减差动共焦探测系统；主控计算机通过多路电机驱动系统控制轴向测量运动系统和五维调整系统来实现被测工件姿态调整和轴向移动与测量，横向相减差动共焦探测系统通过图像采集系统将定焦信息传输给主控计算机，主控计算机整体协调控制各系统来实现被测工件的调整、移动、定焦和测量。
如图6所示，本发明还公开了一种高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦装置，包括点光源，位于点光源光轴方向的分束镜、准直透镜、测量物镜，和位于分束镜反射光方向的横向相减差动共焦探测系统、图像采集系统、主控计算机、多路电机驱动系统、与光轴平行放置的轴向测量运动系统和与光轴同轴放置的五维调整系统；点光源发出的测量光束依次经过分束镜、准直透镜和测量物镜后照射在被测样品表面；由被测样品反射回来的光再通过测量物镜和准直透镜后进入横向相减差动共焦探测系统；主控计算机通过多路电机驱动系统控制轴向测量运动系统和五维调整系统来实现被测工件姿态调整和轴向移动与测量，横向相减差动共焦探测系统通过图像采集系统将定焦信息传输给主控计算机，主控计算机整体协调控制各系统来实现被测工件的调整、移动、定焦和测量。
如图7所示，本发明还公开了一种高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦装置，包括点光源，位于点光源光轴方向的偏振分光镜、四分之一波片、分束镜、准直透镜、测量物镜，和位于分束镜反射光方向的横向相减差动共焦探测系统、图像采集系统、主控计算机、多路电机驱动系统、与光轴平行放置的轴向测量运动系统和与光轴同轴放置的五维调整系统，以及分束镜透射光轴方向用于元件大视场粗瞄观测的粗瞄分划板和粗瞄CCD探测器；点光源发出的测量光束依次经过偏振分光镜、四分之一波片、分束镜、准直透镜和测量物镜后照射在被测样品表面；由被测样品反射回来的光再通过测量物镜和准直透镜后被分束镜分光，分束镜反射光束经四分之一波片和偏振分光镜后进入横向相减差动共焦探测系统，分束镜透射光束经粗瞄分划板后被粗瞄CCD探测器成像；主控计算机通过多路电机驱动系统控制轴向测量运动系统和五维调整系统来实现被测工件姿态调整和轴向移动测量，粗瞄CCD探测器和横向相减差动共焦探测系统通过图像采集系统将被测工件粗瞄调整信息和精密定焦信息传输给主控计算机，主控计算机整体协调控制各系统来实现被测工件的调整、移动、定焦和测量。
有益效果
本发明对比已有技术具有以下创新点：
1)提出利用大、小虚拟针孔探测横向相减锐化共焦特性曲线，利用焦前、焦后离焦探测对锐化焦前共焦特性曲线和焦后共焦特性曲线进行差动处理，进而显著提高了差动共焦定焦曲线的灵敏度和信噪比，可实现光学测量长焦深层析定焦，突破光学尺寸参数测量中长衍射焦深层析定焦的瓶颈，其特别适合超长焦距、超大曲率半径等具有长衍射焦深的精密定焦测量场合；
2)采用横向相减差动共焦响应曲线零点附近的测量数据进行线性拟合来进行触发定焦，显著提升了光学定焦精度、定焦速度和抗散射能力；
3)将横向相减差动共焦显微术与光线追迹术有机融合，抑制了层析定焦中前表面参数、元件折射率等对后表面定焦精度的影响，实现了光学内表面的高精度层析定焦和定轴；
4)在测量光路中引入环形光瞳，遮挡近轴光线，形成空心的测量光锥，削减了像差的对测量结果的影响等。
本发明对比已有技术具有以下显著优点：
1)相比于已有定焦技术，本方法由于首先通过不同大小虚拟针孔探测的共焦特性曲线相减处理来锐化了共焦定焦响应曲线，然后又通过对焦前和焦后两路探测系统分别探测的锐化共焦定焦响应曲线进行差动相减处理，进而有效消除了共模噪声，显著提高了定焦系统的定焦灵敏度、信噪比和定焦精度；
2)相比于已有定焦技术，本方法采用横向相减差动共焦响应曲线零点附近的测量数据进行线性拟合来进行触发定焦，显著提升了光学定焦精度、定焦速度和抗干扰能力；
3)相比于已有定焦技术，本方法将横向相减差动共焦显微术与光线追迹术有机融合，抑制了层析定焦中前表面参数、元件折射率等对定焦面的影响，实现了光学内表面的高精度层析定焦和定轴，解决了光学元件内、外表面高精度层析定焦与定轴这一涉及众多光学参数测量的共性难题；
4)相比于经典的高精度干涉定焦方法，本方法由于采用非干涉的艾里斑中心强度“点探测”方式，克服了现有干涉定焦法对系统像差、环境振动、气流干扰和样品表面粗糙度极度灵敏的不足，大幅提高了抗系统像差、环境干扰和表面散射的能力，显著提高了定焦精度，为极易受环境干扰的超长焦距和超大曲率半径的测量提供了前提保障。
附图说明
图1为经典共焦显微成像原理示意图；
图2为长工作距测量聚焦光束的长衍射焦深光斑示意图；
图3为本发明高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦方法示意图；
图4为本发明建立的光线追迹及其补偿模型示意图；
图5为本发明的线性拟合触发定焦示意图；
图6为本发明高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦装置的示意图；
图7为本发明高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦装置的示意图；
图8为本发明的实施例1的一种高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦示意图；
图9为本发明的实施例2的一种高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦示意图；
图10为本发明大小虚拟针孔共焦特性曲线横向相减锐化示意图；
图11为本发明横向相减差动共焦特性曲线层析定焦示意图；
图12为本发明的实施例1的一种高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦结果。
其中：1-点光源、2-分束镜、3-准直透镜、4-测量物镜、5-被测样品、6-横向相减差动共焦探测系统、7-分光镜、8-焦前显微物镜、9-焦前CCD探测器、10-焦后显微物镜、11-焦后CCD探测器、12-焦前大虚拟针孔探测域、13-焦前小虚拟针孔探测域、14-焦后大虚拟针孔探测域、15-焦后小虚拟针孔探测域、16-环形光瞳、17-离散横向相减差动共焦特性曲线、18-差动共焦线性拟合直线、19-拟合直线零点、20-图像采集系统、21-主控计算机、22-多路电机驱动系统、23-轴向测量运动系统、24-五维调整系统、25-偏振分光镜、26-四分之一波片、27-粗瞄分划板、28-粗瞄CCD探测器、29-激光器、30-显微物镜、31-针孔、32-第一层析定焦表面、33-第二层析定焦表面、34-第三层析定焦表面、35-第N层析定焦表面、36-粗瞄艾里斑、37-焦前测量艾里斑、38-焦后测量艾里斑、39-焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线、40-焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线、41-焦前横向相减锐化共焦特性曲线、42-焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线、43-焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线、44-焦后横向相减锐化共焦特性曲线、45-光纤耦合器、46-光纤点衍射光源、47-光电探测器、48-共焦特性曲线、49-长焦聚焦测量光束、50-长焦深衍射焦斑。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明使用高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦方法来实现高精度差动共焦层析定焦，以期解决长衍射焦深光学参数测量中定焦精度不高的技术瓶颈。其核心思想是首先利用两个不同大小虚拟针孔探测的共焦定焦曲线进行相减处理来锐化共焦定焦曲线并提高信噪比，其次将焦前大小虚拟针孔探测域和焦后大小虚拟针孔探测域探测的横向相减锐化共焦定焦曲线再进行差动相减处理来提高定焦灵敏度，然后再通过线性拟合横向相减差动共焦响应曲线零点附近的测量数据，并根据建立的光线追迹及补偿模型来最终实现长衍射焦深的高精度、快速层析定焦。
实施例1
如附图8所示，一种高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦装置，包括激光器29、显微物镜30、针孔31，依次放在针孔31后出射光方向的偏振分光镜25、四分之一波片26、分束镜2、环形光瞳16、准直透镜3和测量物镜4，还包括放置在分束镜2反射方向的焦前显微物镜8、焦前CCD探测器9、焦后显微物镜10、焦后CCD探测器11、焦前大虚拟针孔探测域12、焦前小虚拟针孔探测域13、焦后大虚拟针孔探测域14、焦后小虚拟针孔探测域15等构成的横向相减差动共焦探测系统6，以及分束镜2透射光轴方向用于元件粗瞄大视场观测的粗瞄分划板27和粗瞄CCD探测器28；主控计算机21与多路电机驱动系统22相连接，使其驱动轴向测量运动系统23带动被测样品5沿光轴方向进行扫描，五维调整系统24用来调节被测样品5的姿态和位置，使被测工件5的光轴与测量光束光轴同轴。
一种高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦方法，具体步骤如下：
(1)启动主控计算机21中的测量软件，打开激光器29，激光器29发出的光经显微物镜30和针孔31形成点光源1。点光源1发出的光经偏振分光镜25、四分之一波片26、分束镜2、环形光瞳16、准直透镜3和测量物镜4后形成测量光束；
(2)将被测样品5固定在五维调整架24上，测量光束照射在被测样品5前表面上，由被测样品5第一层析定焦表面32反射回来的光通过测量物镜4和准直透镜3后，由分束镜2分成反射光和透射光；
(3)由分束镜2透射的部分测量光束经过粗瞄分划板27后被粗瞄CCD探测器28探测，用于被测工件5姿态位置调整时的大视场粗瞄观测；
(4)由分束镜2反射的测量光束经过四分之一波片26和偏振分光镜25后又被分光镜7分成反射光束和透射光束两，经分光镜7反射的光束通过焦前显微物镜8聚焦到焦前CCD探测器9被探测，经分光镜7透射的光束通过焦后显微物镜10聚焦到焦后CCD探测器11被探测；
(5)通过轴向测量运动系统23将被测样品5沿光轴移动至测量光束焦点与被测样品5第一层析定焦表面32位置相接近，观察粗瞄CCD探测器28中由被测样品5第一层析定焦表面32反射回来的光斑，调整五维调整系统24使光斑中点位于依次位于观察粗瞄CCD探测器28和焦前CCD探测器9的中心位置，此时被测样品5与测量光束共光轴；
(6)主控计算机21的测量软件通过多路电机驱动系统22控制轴向测量运动系统23轴向平移，进而带动被测样品5沿光轴方向扫描，当测量光束焦点扫过被测样品5第一层析定焦表面32的顶点位置时，如图8所示，测量软件通过对焦前CCD探测器9探测的焦前测量艾里斑37进行大小针孔虚拟探测处理，其通过焦前大虚拟针孔探测域12与焦前小虚拟针孔探测域13分别处理得到如图10(a)所示的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线39和焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线40并依据式(3)进行相减处理得到焦前横向相减锐化共焦特性曲线41：
I1(z,-uM)＝IS1(z,-uM)-γIB1(z,-uM) (3)
同时如图8所示，测量软件通过对焦后CCD探测器11探测的焦后测量艾里斑38进行大小针孔虚拟探测处理，测量软件通过焦后大虚拟针孔探测域14与焦后小虚拟针孔探测域15分别处理得到如图10(b)所示的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线42和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线43并依据式(3)进行相减处理得到焦后横向相减锐化共焦特性曲线44。
I2(z,+uM)＝IS2(z,+uM)-γIB2(z,+uM) (4)
大虚拟针孔探测域、小虚拟针孔探测域探测共焦特性曲线的过程是：在CCD探测器探测焦前测量艾里斑37和焦后测量艾里斑38的每帧图像上选取一个同心圆域，对大圆域内的每个像素光强进行积分得到一条共焦强度响应曲线IB(z,uM)，对小圆域内的每个像素光强积分得到一条共焦强度响应曲线IS(z,uM)，然后将IB(z,uM)和IS(z,uM)进行相减处理得到横向相减共焦响应曲线I(z,uM)＝IS(z,uM)-γIB(z,uM)，改变调节因子γ实现共焦特性曲线的优化。
本实施例中大圆域直径选取11个像素，小圆域直径选取5个像素，取γ＝0.5。
(7)主控计算机21的测量软件将相减处理得到的焦前横向相减锐化共焦特性曲线41和焦后横向相减锐化共焦特性曲线44依据式(1)进行差动相减处理得到离散横向相减差动共焦特性曲线17，如图11所示；
(8)将离散横向相减差动共焦特性曲线17依据图5进行拟合处理，通过对离散横向相减差动共焦特性曲线17绝对零点附近的离散测量数据进行线性拟合，得到差动共焦线性拟合直线18，通过差动共焦线性段拟合直线18的绝对零点位置19来快速确定测量光束焦点与被测样品5第一层析定焦表面32的顶点位置相重合，记录此时被测样品5的位置Z1＝0.16215mm；
(9)主控计算机21的测量软件通过多路电机驱动系统22控制轴向测量运动系统23轴向平移，将被测样品5沿光轴方向先后移动至测量光束焦点与被测样品第二层析定焦表面33、第三层析定焦表面34和第四层析定焦表面35的位置相接近，进一步带动被测样品5沿光轴方向扫描，当测量光束焦点扫过被测样品5各定焦表面的顶点位置时，横向相减差动共焦探测系统依次得到对应各定焦顶点位置的横向相减差动共焦定焦曲线如图12所示，然后再利用步骤(8)的拟合处理方法，依次得到被测样品5的不同层面焦点位置：Z2＝-7.8946mm，Z3＝-8.2271mm，Z4＝-14.5258mm；
(10)将被测样品5的已知参数输入主控计算机21，各定焦面曲率半径沿光轴方向从左向右依次为：r1＝195.426mm、r2＝-140.270mm、r3＝-140.258mm、r4＝400.906mm，折射率从左向右依次为：n0＝1，n1＝1.5143，n2＝1，n3＝1.668615；如图4所示，设ρB为环形光瞳的最大半径，ηρB为环形光瞳的最小半径，ρ为参考测量光线的半径，SN代表被测镜组内第N个表面，ON为第N个表面SN的顶点，rN为第N个表面SN的曲率半径，nN为第N个表面SN与第N+1个表面SN+1之间的材料折射率，dN为第N个表面SN与第N+1个表面SN+1之间的轴向间隙，iN和iN′分别为光线在第N个表面SN的入射角和出射角，lF'为当前状态下标准会聚镜的像方顶焦距。其中，lN为SN顶点到SN入射光线与光轴交点的距离，lN′为SN顶点到SN出射线与光轴交点的距离，uN为SN入射光线与光轴的夹角，uN′为SN出射光线与光轴的夹角，z为测量光束会聚点的位置坐标。
根据式(5)光线追迹及补偿模型，依次对各定焦表面位置进行补偿：
Figure GDA0002520115340000121
其中，初始条件为：
Figure GDA0002520115340000122
最终得到补偿后的定焦结果为：Z1′＝0.16215mm，Z2′＝-7.2468mm，Z3′＝-8.4169mm，Z4′＝-14.1726mm。
实施例2
如图9所示，一种高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦装置，其测量步骤与实施例1相同，不同之处在于点光源1采用光纤耦合器45和光纤点衍射光源46来产生，进而实现激光差动共焦层析定焦。
显微物镜和CCD组成的探测器相对于准直镜焦点有+M的离焦量时，在点探测器处得到归一化的光场分布U3(x,y,z,M)为：
Figure GDA0002520115340000131
其中uM为探测器归一化离焦量，其表达式为：
Figure GDA0002520115340000132
则此时在大尺寸虚拟针孔vB上处理得到的共焦曲线可以表示为：
Figure GDA0002520115340000133
在小虚拟针孔vS上处理得到的共焦曲线可以表示为：
Figure GDA0002520115340000134
则横向相减离焦共焦定焦曲线可以表示为：
Figure GDA0002520115340000135
在vS＝2.5、vB＝6、γ＝0.4时，对(11)式进行数值分析可以得到在归一化离焦量分别为uM＝-10,0,10时的横向相减共焦定焦曲线。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦方法，其特征在于：包括以下步骤：
a)打开点光源(1)，点光源(1)发出的光经分束镜(2)、准直透镜(3)和测量物镜(4)后形成测量光束照射在被测样品(5)上；
b)调整被测样品(5)，使其与汇聚的测量光束共光轴，由被测面反射回来的光再通过测量物镜(4)和准直透镜(3)后被分束镜(2)反射，反射的光束聚焦为测量光斑，并被横向相减差动共焦探测系统(6)探测；
c)沿光轴方向移动被测样品(5)，使汇聚的测量光束的焦点与被测样品(5)的第一层析定焦表面(32)顶点位置重合；在第一层析定焦表面(32)顶点附近扫描被测样品(5)；将横向相减差动共焦探测系统(6)中焦前大虚拟针孔探测域(12)探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(39)IB1(z,-uM)，和焦前小虚拟针孔探测域(13)探测的焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线(40)IS1(z,-uM)进行相减处理，得到半高宽压缩的焦前横向相减锐化共焦特性曲线(41)I1(z,-uM)＝IS1(z,-uM)-γIB1(z,-uM)；将横向相减差动共焦探测系统(6)中焦后大虚拟针孔探测域(14)探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线(42)IB2(z,+uM)，和焦后小虚拟针孔探测域(15)探测的焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线(43)IS2(z,+uM)进行相减处理，得到半高宽压缩的焦后横向相减锐化共焦特性曲线(44)I2(z,+uM)＝IS2(z,+uM)-γIB2(z,+uM)；其中z为轴向坐标，γ为调节因子，uM为焦前CCD探测器(9)偏离焦前显微物镜(8)焦平面距离M的归一化距离，也是焦后CCD探测器(11)偏离焦后显微物镜(10)焦平面距离M的归一化距离；将焦后横向相减锐化共焦特性曲线(44)I2(z,+uM)和焦前横向相减锐化共焦特性曲线(41)I1(z,-uM)进行差动相减即能够得到轴向高灵敏的离散横向相减差动共焦特性曲线(17)ID(z)：
ID(z)＝I2(z,+uM)-I1(z,-uM) (1)
通过离散横向相减差动共焦特性曲线(17)ID(z)的拟合直线零点(19)来确定测量汇聚光束精确定焦在被测样品的第一层析定焦表面(32)顶点位置，进而精确确定测量光束的焦点位置Z1；
d)继续沿光轴方向移动被测样品(5)，使汇聚的测量光束的焦点依次与被测样品(5)的第二层析定焦表面(33)至第N层析定焦表面(35)顶点位置重合；重复步骤c)，在各层表面顶点位置附近沿光轴方向扫描被测样品(5)，由横向相减差动共焦探测系统(6)测得各层离散横向相减差动共焦特性曲线(17)，通过差动共焦线性拟合直线(18)的拟合直线零点(19)来确定测量光束精确定焦在被测样品的各层表面顶点位置，依次精确确定测量光束的焦点位置Z2、…和ZN，进而实现N个表面的精确光学层析定位；
高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦方法，将横向相减差动共焦技术与光线追迹技术有机融合，建立光线追迹及其补偿模型，进而消除各层析定焦表面参数间的相互影响；如公式(2)所示，rN为第N个表面SN的曲率半径，nN为第N个表面SN与第N+1个表面SN+1之间的材料折射率，dN-1为第N-1个表面SN-1与第N个表面SN之间的轴向间隙，lN′为SN顶点到SN出射线与光轴交点的距离，uN′为SN出射光线与光轴的夹角；
Figure FDA0002572193310000021
根据以上公式(2)可递推计算出表面SN与SN+1之间的轴向间隙dN＝lN′，消除了各表面间几何和折射率参数对定焦精度的影响，实现N个表面的精确几何层析定位。
2.根据权利要求1所述的高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦方法，其特征在于：通过横向相减差动共焦探测系统(6)得到焦前横向相减锐化共焦特性曲线(41)和焦后横向相减锐化共焦特性曲线(44)的过程如下：
a)在被测样品(5)扫描过程中，通过焦前CCD探测器(9)探测焦前测量艾里斑(37)，以焦前测量艾里斑(37)的重心为中心，在焦前CCD探测器(9)每帧探测图像上选定焦前大虚拟针孔探测域(12)，将焦前大虚拟针孔探测域(12)中每个像素上的强度进行积分，得出焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(39)；
b)同时以焦前CCD探测器(9)探测的焦前测量艾里斑(37)重心为中心，选择另一个焦前小虚拟针孔探测域(13)，所述焦前小虚拟针孔探测域(13)的面积A区域包含于所述焦前大虚拟针孔探测域(12)的区域，积分焦前小虚拟针孔探测域(13)的强度得到另一条焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线(40)，焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线(40)的半高宽和峰值强度均低于焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(39)；
c)将焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(39)乘以系数γ，使得焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(39)光强是焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线(40)的1/2倍；
d)将焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线(40)减去乘系数γ后的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(39)，得到焦前横向相减锐化共焦特性曲线(41)；
e)重复步骤a)～d)，对焦后CCD探测器(11)探测到的焦后测量艾里斑(38)进行处理，同样得到焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线(42)和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线(43)，焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线(42)和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线(43)横向相减锐化处理后，得到焦后横向相减锐化共焦特性曲线(44)。
3.根据权利要求1所述的高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦方法，其特征在于：采用离散横向相减差动共焦特性曲线(17)零点附近的离散测量数据进行线性拟合，通过拟合得到的差动共焦线性拟合直线(18)的拟合直线零点(19)位置来确定定焦位置，进而提升层析定焦精度、速度和抗散射能力。
4.根据权利要求1所述的高层析、抗散射激光差动共焦层析定焦方法，其特征在于：采用环形光瞳(16)对测量光束进行调制，形成环形测量光束，降低测量元件参数时系统波像差对测量光束的影响，缩小层析定焦定焦误差。
5.实现如权利要求1或2或3或4所述方法的装置，其特征在于：包括点光源(1)，位于点光源(1)光轴方向的分束镜(2)、准直透镜(3)、测量物镜(4)，和位于分束镜(2)反射光方向的横向相减差动共焦探测系统(6)、图像采集系统(20)、主控计算机(21)、多路电机驱动系统(22)、与光轴平行放置的轴向测量运动系统(23)和与光轴同轴放置的五维调整系统(24)；点光源(1)发出的测量光束依次经过分束镜(2)、准直透镜(3)和测量物镜(4)后照射在被测样品(5)表面；由被测样品(5)反射回来的光再通过测量物镜(4)和准直透镜(3)后进入横向相减差动共焦探测系统(6)；主控计算机(21)通过多路电机驱动系统(22)控制轴向测量运动系统(23)和五维调整系统(24)来实现被测样品(5)姿态调整和轴向移动与测量，横向相减差动共焦探测系统(6)通过图像采集系统(20)将定焦信息传输给主控计算机(21)，主控计算机(21)整体协调控制各系统来实现被测样品的调整、移动、定焦和测量。
6.实现如权利要求1或2或3或4所述方法的装置，其特征在于：包括点光源(1)，位于点光源(1)光轴方向的偏振分光镜(25)、四分之一波片(26)、分束镜(2)、准直透镜(3)、测量物镜(4)，和位于分束镜(2)反射光方向的横向相减差动共焦探测系统(6)、图像采集系统(20)、主控计算机(21)、多路电机驱动系统(22)、与光轴平行放置的轴向测量运动系统(23)和与光轴同轴放置的五维调整系统(24)，以及分束镜(2)透射光轴方向用于元件大视场粗瞄观测的粗瞄分划板(27)和粗瞄CCD探测器(9)；点光源(1)发出的测量光束依次经过偏振分光镜(25)、四分之一波片(26)、分束镜(2)、准直透镜(3)和测量物镜(4)后照射在被测样品表面；由被测样品反射回来的光再通过测量物镜(4)和准直透镜(3)后被分束镜(2)分光，分束镜(2)反射光束经四分之一波片(26)和偏振分光镜(25)后进入横向相减差动共焦探测系统(6)，分束镜(2)透射光束经粗瞄分划板(27)后被粗瞄CCD探测器(28)成像；主控计算机(21)通过多路电机驱动系统(22)控制轴向测量运动系统(23)和五维调整系统(24)来实现被测样品(5)姿态调整和轴向移动测量，粗瞄CCD探测器(28)和横向相减差动共焦探测系统(6)通过图像采集系统(20)将被测样品(5)粗瞄调整信息和精密定焦信息传输给主控计算机(21)，主控计算机(21)整体协调控制各系统来实现被测样品的调整、移动、定焦和测量。
7.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于：所述横向相减差动共焦探测系统(6)由焦前显微物镜(8)、焦前CCD探测器(9)、焦后显微物镜(10)和焦后CCD探测器(11)组成；其在焦前CCD探测器(9)和焦后CCD探测器(11)探测的焦前测量艾里斑(37)和焦后测量艾里斑(38)图案上通过设置不同大小区域的同心图像圆域来构成焦前大虚拟针孔探测域(12)、焦前小虚拟针孔探测域(13)、焦后大虚拟针孔探测域(14)和焦后小虚拟针孔探测域(15)，再通过焦前大虚拟针孔探测域(12)与焦前小虚拟针孔探测域、焦后大虚拟针孔探测域(14)与焦后小虚拟针孔探测域(15)的相减处理，来实现共焦特性曲线(48)的锐化处理。
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