CN110260783A - 一种干涉显微镜自动对焦装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干涉显微镜自动对焦装置及方法，照明单元发出准直光束，准直光束经照明分光镜反射后形成照明光束，照明光束通过显微物镜后一部分被干涉分光镜反射形成参考光束，另外一部分透射经过干涉分光镜形成测试光束；参考光束依次被参考镜、干涉分光镜反射，之后依次透射经过显微物镜、照明分光镜、管镜，在相机上形成参考光斑；测试光束照射在样品上后被反射，依次透射经过干涉分光镜、显微物镜、照明分光镜、管镜，在相机上形成测试光斑。本发明用以解决现有技术中干涉显微镜的对焦方法存在的耗时久、体积大和可靠性不足的问题，实现不增大干涉显微镜仪器体积，能够快速可靠的自动对焦，且对焦过程操作简便、自动化程度高的目的。

Description

一种干涉显微镜自动对焦装置及方法

技术领域

本发明涉及干涉显微镜领域，具体涉及一种干涉显微镜自动对焦装置及方法。

背景技术

干涉显微镜是一种重要的表面形貌和膜层检测工具，广泛应用于机械、电子、光学、材料等领域。干涉显微镜集成了显微镜与干涉测量功能，利用显微物镜将被测样品表面放大，能够获得表面精细的结构。干涉显微镜经过精密装调，使参考镜位于显微物镜的物面上，保证了清晰成像的同时也能获得高对比度的干涉条纹。干涉显微镜需在准焦状态下工作，准焦指清晰成像并出现干涉条纹，反之称为“离焦”。因此，寻找清晰成像位置和干涉条纹(称为“对焦”)是干涉显微镜测量时的必须操作步骤。显微物镜成像的轴向范围取决于景深(由物镜的数值孔径决定)，大约在微米量级至数十微米量级，采用短相干照明光源时干涉条纹的高对比度范围约在十微米量级。因此，干涉显微镜的对焦过程非常耗时。有经验的操作人员一般依靠人眼对样品表面的纹理和结构等显著特征的成像清晰度的变化情况判断对焦效果，从而提高效率。然而，当样品表面的特征不显著时(如光学级表面)，对焦过程会耗费更多的时间，测量效率会大大降低。而且，这种人眼判断的对焦效果的方法也不利于仪器的自动化。

目前，干涉显微镜大多通过判断干涉条纹清晰度的方法实现自动调焦(吴志顺等，基于阈值判定法的白光干涉仪自动扫描技术研究，中国机械工程，2012；李勇等，Linnik白光干涉仪自动对焦及光程差最小化，光电工程，2012；郭彤等，采用变速白光扫描干涉术测量大尺度台阶结构，光电子激光，2012)。这种方法利用了干涉显微镜物面上干涉条纹对比度最高的特点，通过采集不同轴向位置的干涉条纹并计算其对比度或清晰度，再加以搜索算法进而寻找最高对比度的轴向位置，进而实现自动调焦。然而，由于干涉条纹存在的轴向范围为十微米量级，因此该方法仍然需要首先寻找到干涉条纹。此外，由于干涉条纹的对比度在轴向上是一个类似于高斯函数的对称曲线，使得该方法在判断离焦量时不具有方向性，因此无法通过干涉条纹直接区分远焦(远离物镜)和近焦(靠近物镜)，只能通过连续采集一系列的干涉条纹或通过条纹对比度与轴向位置变化来判断。因此，该方法的操作时间较长、数据量和计算量比较大。

此外，还有研究人员提出在干涉显微镜中设置专门的离焦量检测光路以实现自动对焦，而不依赖于干涉条纹。卢荣胜等在干涉显微镜中增加了圆柱透镜和四象限探测器，通过离焦量引入的像散判断离焦大小和方向，然后驱动位移台从而实现了自动对焦(J.Donget al,Automated determination of best focus and minimization of optical pathdifference in Linnik white light interferometry,Applied Optics,2011)。L.L.Deck等采用三角法的原理，用激光照射到样品表面上，再采用位置探测器对表面反射光斑的位置进行探测，通过控制样品表面的高度实现了自动对焦(L.L.Deck,Large-aperture,equal-path interferometer for precision measurements of flat transparentsurfaces,Applied Optics,2014)。但这两种方法都需要引入额外的探测光路，导致仪器的体积增大，而且当样品表面有倾斜时可能会导致方法失效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种干涉显微镜自动对焦装置，以解决现有技术中干涉显微镜的对焦方法存在的耗时久、体积大和可靠性不足的问题，实现在不增大干涉显微镜仪器体积的前提下，能够快速可靠的自动对焦，且对焦过程操作简便、自动化程度高的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种干涉显微镜自动对焦装置，包括照明分光镜、显微物镜、干涉分光镜、参考镜、管镜、相机、以及用于承载样品的移动台，还包括照明单元；

所述照明单元发出准直光束，准直光束经照明分光镜反射后形成照明光束，照明光束通过显微物镜后一部分被干涉分光镜反射形成参考光束，另外一部分透射经过干涉分光镜形成测试光束；

所述参考光束依次被参考镜、干涉分光镜反射，之后依次透射经过显微物镜、照明分光镜、管镜，在相机上形成参考光斑；

所述测试光束照射在样品上后被反射，依次透射经过干涉分光镜、显微物镜、照明分光镜、管镜，在相机上形成测试光斑。

优选的，所述照明分光镜、显微物镜、干涉分光镜、参考镜、管镜、相机的中心共线，各中心连线形成光轴。

优选的，所述显微物镜、参考镜、干涉分光镜共同构成干涉物镜组件，所述相机、管镜、照明分光镜、干涉物镜组件依次分布。干涉物镜组件由显微物镜、参考镜、干涉分光镜共同组成，其具体的内部排布方式在此不做限定，现有的任意干涉物镜的设置方式均可适用于本申请中。

优选的，所述干涉物镜组件位于照明分光镜与移动台之间，移动台的移动方向与所述光轴平行。

优选的，所述照明单元发出的准直光束垂直于光轴。

优选的，所述照明光束与光轴平行但不重合。

本申请中，照明单元发出准直光束，准直光束经照明分光镜反射后形成与光轴平行但不重合的照明光束，照明光束通过显微物镜后与光轴夹角为θ，准直光束一部分被干涉分光镜反射形成参考光束，另外一部分透射经过干涉分光镜形成测试光束，参考光束依次被参考和干涉分光镜反射后依次透射经过显微物镜、照明分光镜、管镜，在相机上形成参考光斑，测试光束照射在样品上后被反射，依次经过干涉分光镜、显微物镜、照明分光镜、管镜，在相机上形成测试光斑；其中显微物镜与管镜组合系统的放大倍数为M；相机上每个像素尺寸为p；相机上像素阵列x轴的定义为：x轴位于准直光束与光轴确定的平面内且与光轴垂直，若照明光束位于光轴右侧，则相机的像素阵列x轴以右方为正方向，若照明光束位于光轴左侧，则相机的像素阵列x轴以左方为正方向。

本申请的自动对焦方法包括以下步骤：

(a)启动装置，在未放置样品时相机采集一幅图像，记为参考光斑图像I0，检测参考光斑图像上光斑的位置，记为(x0，y0)；

(b)将样品放置在显微物镜的物面附近，调节样品相对于显微物镜的高度，直到相机中出现测试光斑；

(c)采集图像，记为测试光斑图像Ik；

(d)测试光斑图像Ik减去参考光斑图像I0，得到Gk＝Ik-I0，计算Gk上的光斑位置，记为(xk，yk)；

(e)计算光斑距离dk＝p×[(xk-x0)²+(yk-y0)²]^1/2，若dk小于阈值则自动对焦结束；若dk大于阈值则进入步骤(f)，其中p为相机上的像素尺寸；其中阈值由使用者根据实际需求具体设置，在此不做限定；

(f)若xk>x0，则移动台带动样品向靠近显微物镜的方向移动距离dk/tan(θ)/M/2；

若xk<x0则位移台向远离显微物镜的方向移动距离dk/tan(θ)/M/2；

其中，θ为照明光束通过显微物镜后与光轴的夹角；M为显微物镜与管镜组合的放大倍数；

(g)重复步骤(c)～(e)，直到自动对焦结束。

对于相机采集的图像而言，x轴位于准直光束与光轴确定的平面内，且与光轴垂直；

若照明光束位于光轴右侧，则相机的像素阵列x轴以右方为正方向；

若照明光束位于光轴左侧，则相机的像素阵列x轴以左方为正方向。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种干涉显微镜自动对焦装置及方法，为表面形貌测量过程中快速、可靠寻找到样品表面轴向位置提供了一种简单、可行的方法，比较适合大范围内对样品表面进行对焦。在传统干涉显微镜中增加了一个离轴的照明光源，利用单侧光照明，打破了成像光学系统的对称性，因而使得离焦量的检测具有方向性，加之以参考镜反射的光斑做参考，能够准确定位到准焦位置。

2、本发明一种干涉显微镜自动对焦装置及方法，自动对焦功能与干涉显微镜的成像功能共用一个相机，减小了仪器体积并降低了成本。

3、本发明一种干涉显微镜自动对焦装置及方法，采用了迭代式定位，多次渐进计算对焦效果，提高了自动对焦的可靠性，克服了现有技术中因样品表面倾斜而导致自动对焦失效的缺陷。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的装置示意图；

图2为本发明具体实施例的方法流程示意图；

图3为本发明具体实施例中的参考光斑图像；

图4为本发明具体实施例在离焦情况下获得的测试光斑图像；

图5为本发明具体实施例在准焦情况下获得的测试光斑图像；

图6为本发明具体实施例在准焦情况下获得的干涉条纹图像。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-照明单元，2-照明分光镜，3-显微物镜，4-干涉分光镜，5-参考镜，6-管镜，7-相机，8-移动台，9-样品，10-照明光束，11-参考光束，12-测试光束。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

如图1所示的一种干涉显微镜自动对焦装置，照明分光镜2、显微物镜3、干涉分光镜4、参考镜5、管镜6、相机7的中心对准排列，中心连线形成光轴，照明单元1的出射光线与光轴垂直，移动台8可沿着光轴方向做直线运动。

照明单元1采用650nm波长的激光二极管，发出的准直光束直径约2mm，准直光束经照明分光镜2反射后形成与光轴平行但不重合的照明光束10，照明光束10通过显微物镜3后与光轴夹角θ约为15°，准直光束一部分被干涉分光镜4反射形成参考光束11，另外一部分透射经过干涉分光镜形成测试光束12，参考光束11依次被参考镜5和干涉分光镜4反射后依次透射经过显微物镜3、照明分光镜2、管镜6，在相机7上形成参考光斑，测试光束12照射在样品9上后被反射，依次经过干涉分光镜4、显微物镜3、照明分光镜2、管镜6，在相机7上形成测试光斑。

本实施例中，显微物镜3的数值孔径NA＝0.3，与管镜6组合系统的放大倍数M＝10。干涉显微镜工作时采用白色LED为光源，滤波后光谱的中心波长λ0＝620nm，光谱宽度Δλ＝10nm。经过计算，显微物镜3的景深DOF＝λ0/NA2＝6.9μm，干涉长度lc＝λ02/Δλ＝38.4μm。这表明，只有将样品表面调整到物面±3.45μm范围内才能清晰成像，只有将样品表面调整到物面±19.2μm范围内才能出现干涉条纹。

相机上每个像素对应的物理尺寸是p＝3.45μm。

为了确定对焦时移动台8的移动方向，对相机7上光斑移动的方向进行定义。相机7上像素阵列x轴的定义是，x轴位于准直光束与光轴确定的平面内且与光轴垂直，若照明光束10位于光轴右侧，则相机7的像素阵列x轴以右方为正方向，若照明光束10位于光轴左侧，则相机7的像素阵列x轴以左方为正方向。本实施例中，x轴位于纸面内且垂直于光轴，照明光束10位于光轴右侧，因此相机7的像素阵列x轴以左方为正方向。

本申请中，显微物镜、参考镜、干涉分光镜共同构成干涉物镜组件，在本实施例中，显微物镜3、干涉分光镜4分别位于参考镜5的两侧。除此以外，任何等效的、能够提供相同光路的干涉物镜组件的排布方式均适用于本申请。

其中，图1中各光学元件的排布方式仅为本申请的具体实施方式，不对本申请起限定作用，凡是包含本申请中光学元件、且光路路径满足本申请的其余排布方式，均应包含在本申请的保护范围之内。

图2所示为具体的自动对焦流程。具体步骤是：

步骤1：启动装置；

步骤2：未放置样品9时相机采集一幅图像，记为参考光斑图像I0，检测参考光斑图像上光斑的位置，记为(x0,y0)；

步骤3：将样品9放置在显微物镜3的物面附近，调节样品9相对于显微物镜3的高度，直到相机7中出现测试光斑；

步骤4：采集图像，记为测试光斑图像Ik；

步骤5：计算Gk＝Ik-I0，检测Gk上光斑的位置，记为(xk,yk)；

步骤6：计算光斑距离dk＝p×[(xk-x0)2+(yk-y0)2]1/2，若dk小于阈值th则自动对焦结束，若dk大于阈值th则进入步骤7；

步骤7：若xk>x0则位移台8向图1中上方移动距离dk/tan(θ)/M/2，若xk<x0则位移台8向图1中下方移动距离dk/tan(θ)/M/2；

步骤8：重复步骤4～6，直到自动对焦结束。

作为示例，本实施例采集的参考光斑图像如图3所示，采集的第一幅测试光斑图像如图4所示。本实施例中均采用重心法计算光斑的位置。从图3中计算得到参考光斑图像上光斑的位置(x0,y0)＝(322.47,307.77)像素。将图4的第一幅测试光斑图像减去参考光斑图像，计算得到测试光斑图像上的光斑位置(xk,yk)＝(322.22,307.49)像素。计算得到光斑距离dk＝617.8μm。本实施例中设置的阈值th＝5μm<dk，加之xk>x0，因此位移台8需要向上移动距离115.3μm。第三次迭代采集的测试光斑图像如图5所示，同样可以计算，(xk,yk)＝(322.22,307.49)像素，dk＝0.37μm<th。因此，可以认为样品位于准焦状态，自动对焦过程结束。此时切换到干涉显微镜模式，可以得到的清晰的干涉条纹，如图6所示。经过测试表明，本实施例中测试光斑出现的轴向范围为300μm，远大于此时干涉显微镜的条纹出现的范围，即相干长度38.4μm，具有比较宽的调节范围。而且本实施例中特意将样品表面做了倾斜，表明本发明的装置和方法对表面倾斜不敏感，具有较高的可靠性。

本实施例仅需采集2-3次光斑图像，就可将样品在轴向上调整到准焦位置，获得了高对比度的条纹图像。而且处理光斑图像的耗时非常短(处理600×600光斑图像只需0.01秒)，能够动态实时监测对焦状态。

本发明可处理的离焦范围可达到±150μm，远大于分析条纹清晰度的方法，并且可以确定离焦量的符号，使对焦更准确，此外还能够对倾斜表面进行处理，具有较高的可靠性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、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方式而已，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 (8)

1.一种干涉显微镜自动对焦装置，包括照明分光镜(2)、显微物镜(3)、干涉分光镜(4)、参考镜(5)、管镜(6)、相机(7)、以及用于承载样品(9)的移动台(8)，其特征在于，还包括照明单元(1)；

所述照明单元(1)发出准直光束，准直光束经照明分光镜(2)反射后形成照明光束(10)，照明光束(10)通过显微物镜(3)后一部分被干涉分光镜(4)反射形成参考光束(11)，另外一部分透射经过干涉分光镜(4)形成测试光束(12)；

所述参考光束(11)依次被参考镜(5)、干涉分光镜(4)反射，之后依次透射经过显微物镜(3)、照明分光镜(2)、管镜(6)，在相机(7)上形成参考光斑；

所述测试光束(12)照射在样品(9)上后被反射，依次透射经过干涉分光镜(4)、显微物镜(3)、照明分光镜(2)、管镜(6)，在相机(7)上形成测试光斑。

2.根据权利要求1所述的一种干涉显微镜自动对焦装置，其特征在于，所述照明分光镜(2)、显微物镜(3)、干涉分光镜(4)、参考镜(5)、管镜(6)、相机(7)的中心共线，各中心连线形成光轴。

3.根据权利要求2所述的一种干涉显微镜自动对焦装置，其特征在于，所述显微物镜(3)、参考镜(5)、干涉分光镜(4)共同构成干涉物镜组件，所述相机(7)、管镜(6)、照明分光镜(2)、干涉物镜组件依次分布。

4.根据权利要求3所述的一种干涉显微镜自动对焦装置，其特征在于，所述干涉物镜组件位于照明分光镜(2)与移动台(8)之间，移动台(8)的移动方向与所述光轴平行。

5.根据权利要求2所述的一种干涉显微镜自动对焦装置，其特征在于，所述照明单元(1)发出的准直光束垂直于光轴。

6.根据权利要求2所述的一种干涉显微镜自动对焦装置，其特征在于，所述照明光束(10)与光轴平行但不重合。

7.基于权利要求1至6中任一所述的一种干涉显微镜自动对焦装置的自动对焦方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)启动装置，在未放置样品(9)时相机采集一幅图像，记为参考光斑图像I0，检测参考光斑图像上光斑的位置，记为(x0，y0)；

(b)将样品(9)放置在显微物镜(3)的物面附近，调节样品(9)相对于显微物镜(3)的高度，直到相机(7)中出现测试光斑；

(c)采集图像，记为测试光斑图像Ik；

(d)测试光斑图像Ik减去参考光斑图像I0，得到Gk＝Ik-I0，计算Gk上的光斑位置，记为(xk，yk)；

(e)计算光斑距离dk＝p×[(xk-x0)²+(yk-y0)²]^1/2，若dk小于阈值则自动对焦结束；若dk大于阈值则进入步骤(f)，其中p为相机上的像素尺寸；

(f)若xk>x0，则移动台(8)带动样品(9)向靠近显微物镜(3)的方向移动距离dk/tan(θ)/M/2；

若xk<x0则位移台(8)向远离显微物镜(3)的方向移动距离dk/tan(θ)/M/2；

其中，θ为照明光束(10)通过显微物镜(3)后与光轴的夹角；M为显微物镜(3)与管镜(6)组合的放大倍数；

(g)重复步骤(c)～(e)，直到自动对焦结束。

8.根据权利要求7所述的自动对焦方法，其特征在于，对于相机采集的图像而言，x轴位于准直光束与光轴确定的平面内，且与光轴垂直；

若照明光束(10)位于光轴右侧，则相机(7)的像素阵列x轴以右方为正方向；

若照明光束(10)位于光轴左侧，则相机(7)的像素阵列x轴以左方为正方向。