CN111220067B - 一种白光干涉仪自动对焦装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种白光干涉仪自动对焦装置及方法，具有窄光谱光源和宽光谱光源两种照明方式，窄光谱光源的相干长度大、对焦范围大、精度低，宽光谱光源相干长度小、对焦范围小、精度高。将两种光源的优势结合起来，先采用窄光谱光源照明，大步长扫描采集干涉图，分析干涉条纹清晰度并自动搜索峰值，对零光程差位置进行粗对焦；然后用宽光谱光源照明，在零光程差附近以小步长附近遍历扫描并计算干涉信号调制度，进行精对焦。本发明用于解决现有白光干涉仪技术中对焦范围小的不足，能够大范围、高精度自动对焦，有利于提高白光干涉仪的测量自动化和效率。

Description

一种白光干涉仪自动对焦装置及方法

技术领域

本发明涉及白光干涉仪领域，具体涉及一种白光干涉仪自动对焦装置及方法。

背景技术

白光干涉仪主要用于测量表面形貌和膜层，在机械、电子、光学、材料等领域均具有广泛的应用。白光干涉仪利用了宽光谱光源具有较短的相干长度的特点，只有在零光程差位置处干涉条纹才会最清晰，因而通过垂直扫描而寻找条纹最清晰的位置就可确定被测样品的高度。白光干涉仪的光源光谱越宽，出现条纹的垂直范围越小，测量精度越高。一般白光LED光源光谱宽度在0.1μm左右，其相干长度约在3μm左右。白光干涉仪测量前必须寻找到干涉条纹(或称为“对焦”)，而条纹出现的范围与光源的相干长度相当(在微米量级)，这会耗费大量的时间对焦，对测量效率造成很大的影响，并影响测量的自动化。

利用白光干涉仪的干涉条纹清晰度与样品偏离零光程差位置的数值(称为“离焦量”)有关的特点，许多方法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条纹清晰度最高的轴向位置，进而实现自动对焦(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；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)。由于白光LED相干长度仅在3μm微米左右，因此采用这一类条纹清晰度判断方法时，仍然需要精密调节样品与干涉物镜之间的距离到微米级范围内，才能出现干涉条纹。因此，这种方法虽然在一定程度上实现了自动对焦功能，但是该功能所能实施的有效范围仍十分有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种白光干涉仪自动对焦装置及方法，解决现有技术中自动对焦有效范围小的问题，以实现大范围、高精度的自动对焦。

本发明通过下述技术方案实现：

一种白光干涉仪自动对焦装置，包括光源、匀光片、照明镜组、分光镜、干涉物镜、管镜、相机和扫描器，所述窄光谱光源和宽光谱光源发出的光经匀光片匀化后，进入照明镜组形成准直光束，准直光束被分光镜反射后通过干涉物镜照明在样品上，样品反射的光束依次经过干涉物镜、分光镜、管镜照射在相机上，所述干涉物镜能够在扫描器的带动下沿干涉物镜的光轴方向移动，所述光源包括两种能够独立工作的窄光谱光源和宽光谱光源；

所述窄光谱光源的中心波长为λ1；

所述宽光谱光源的中心波长为λ2。

本发明通过将白光干涉仪自动对焦装置的光源设置为两种能够独立工作的窄光谱光源和宽光谱光源，利用窄光谱光源与宽光谱光源在零光程差处干涉条纹对比度最高的特点，结合了窄光谱光源的大对焦范围与宽光谱光源的精细度，以窄光谱光源的干涉条纹做粗对焦、宽光谱光源的干涉条纹做精对焦，获得了大范围、高精度的自动对焦结果。如此，本发明解决了现有技术中自动对焦有效范围小的问题。

进一步地，窄光谱光源是独立的单色光源，宽光谱光源是白光光源。

窄光谱光源和宽光谱光源分别采用单独的电源供电，能够单独工作。

进一步地，还包括窄带滤光片，所述宽光谱光源为由白光光源，所述窄光谱光源由白光光源与窄带滤光片组合而成。

即窄光谱光源与宽光谱光源也可以采用宽光谱光源与一个窄带滤光片组合而得到，通过窄带滤光片的加入与取出实现窄光谱光源与宽光谱光源的切换。

一种基于上述白光干涉仪自动对焦装置的自动对焦方法，包括以下步骤：

1)启动装置，开启窄光谱光源；

2)放置样品，沿光轴方向调整样品的位置，直到相机上出现干涉条纹，在相机的干涉条纹图像上设定兴趣区域，兴趣区域含有M个像素；

3)扫描器开始沿正方向按步长D移动，D＝P*λ1/2，P为任意自然数，正方向可以是沿着光轴方向的任何方向，扫描器每移动距离D相机采集一幅干涉条纹图像，在z(i)、z(i+1)、z(i+2)三个位置处采集的干涉条纹图像分别为I(i)、I(i+1)、I(i+2)，z(i+2)-z(i+1)＝D，z(i+1)-z(i)＝D，I(i)、I(i+1)、I(i+2)按照z(i)、z(i+1)、z(i+2)逐渐增大的顺序组成一个干涉图组G；

4)采用图像清晰度算子分别计算干涉图组G中I(i)、I(i+1)、I(i+2)在兴趣区域的清晰度s(i)、s(i+1)、s(i+2)，并判断干涉图组的类型：当s(i+2)≥s(i+1)且s(i+2)≥s(i)为Ⅰ型，当s(i)≥s(i+1)且s(i)＞s(i+2)为Ⅱ型，当s(i+1)＞s(i)且s(i+1)＞s(i+2)为Ⅲ型；

5)根据干涉图组的类型，干涉显微镜自动对焦装置开始下一步动作：若干涉图组属于Ⅰ型，扫描器移动到位置z(i+3)，z(i+3)-z(i+2)＝D，相机采集干涉条纹图像I(i+3)，I(i+1)、I(i+2)、I(i+3)按顺序组成一个新的干涉图组G＝{I(i+1),I(i+2),I(i+3)}，重复步骤4)；若干涉图组属于Ⅱ型，扫描器移动到位置z(i+3)，z(i)-z(i+3)＝D，相机采集干涉条纹图像I(i+3)，I(i+3)、I(i)、I(i+1)按顺序组成一个新的干涉图组G＝{I(i+1),I(i+2),I(i+3)}，重复步骤4)；若干涉图组属于Ⅲ型，开始下一步；

6)关闭窄光谱光源，开启宽光谱光源；

7)扫描器从z(i+1)-r/2开始扫描到z(i+1)+r/2结束，扫描步长为d，d＝(2Q+1)*λ2/8，Q为任意自然数，扫描器每移动距离d相机采集一幅干涉条纹图像，共采集N幅干涉图，形成一组白光相移干涉图组，z(i+1)-r/2位置处采集的干涉图编号为1，r是预先指定的扫描范围；

8)采用相移算法计算白光相移干涉图组中每幅图像兴趣区域内像素点的调制度m(j,k)，j是像素点的编号，j＝1,2,…,M，k是图像编号，k＝t+1,t+2,…,N-t，t的数值取决于采用的相移算法；

9)计算兴趣区域内每个像素调制度峰值的轴向位置平均值A，作为最佳对焦位置

其中，步骤3)～5)属于粗对焦的过程，每步的扫描距离为半中心波长的整数倍(对应的相移量为2π的整数倍)，通过干涉条纹图像清晰度的变化趋势对零光程差位置进行定位，条纹清晰度的评价不依赖相邻的干涉图，计算速度快、但定位精度稍低。步骤6)～9)属于精对焦过程，每步扫描的距离为中心波长八分之一加整数倍半波长(对应的相移量为2π的整数倍加π/2)，在计算调制度时采用了相移算法计算兴趣区域内每个像素的调制度，定位精度高。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种白光干涉仪自动对焦装置及方法，利用窄光谱光源与宽光谱光源在零光程差处干涉条纹对比度最高的特点，结合了窄光谱光源的大对焦范围与宽光谱光源的精细度，以窄光谱光源的干涉条纹做粗对焦、宽光谱光源的干涉条纹做精对焦，获得了大范围、高精度的自动对焦结果。

2、本发明一种白光干涉仪自动对焦装置及方法，只需在普通白光干涉仪中增加一个窄光谱光源或窄带滤光片即可实现，减小了仪器体积并降低了成本。

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为本发明自动对焦装置的示意图；

图2为本发明自动对焦方法的流程图；

图3为本发明实施例1的粗对焦曲线图；

图4为本发明实施例1的粗对焦时四种类型干涉图组对应的清晰度示意图；

图5为本发明实施例1的精对焦曲线图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-窄光谱光源，2-宽光谱光源，3-匀光片，4-照明镜组，5-分光镜，6-干涉物镜，7-管镜，8-相机，9-扫描器，10-样品。

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。

实施例1：

如图1所示的一种白光干涉仪自动对焦装置，由窄光谱光源1、宽光谱光源2、匀光片3、照明镜组4、分光镜5、干涉物镜6、管镜7、相机8、扫描器9组成，扫描器9可沿着光轴方向做直线运动。

窄光谱光源1为红光LED，其中心波长λ1＝632nm，光谱的FWHM宽度约为20nm，其相干长度为20μm。宽光谱光源2为白光LED，其中心波长λ2＝550nm，光谱的FWHM宽度约为100nm，其相干长度为3μm。红光LED和白光LED分别采用单独的电源供电，能够单独工作。白光LED对应的相干长度仅为3μm，因此对应的条纹范围非常短，对焦十分困难。红光LED对应的相干长度为20μm，远大于白光LED的相干长度，因此具有较大的对焦范围，但同时其对焦的精度也比较低。

红光LED和白光LED发出的光经匀光片3匀化后，进入照明镜组4形成准直光束，准直光束将分光镜5反射透过干涉物镜6照明在样品10上，样品10反射的光束依次经过干涉物镜6、分光镜5、管镜7照射在相机8上。

图2所示为具体的自动对焦流程。具体步骤是：

1)启动装置，开启窄光谱光源1；

2)放置样品，沿光轴方向调整样品的位置，直到相机上出现干涉条纹，在相机8的干涉条纹图像上设定兴趣区域，兴趣区域含有M个像素；

3)扫描器9开始接近物镜的方向按步长D＝0.95μm移动，D＝P*λ1/2，这里P＝3，扫描器每次移动距离0.95μm相机8采集一幅干涉条纹图像，在0、0.95μm、1.9μm三个位置处采集的干涉条纹图像分别为I1、I2、I3，I1、I2、I3组成一个干涉图组G＝{I1,I2,I3}；

4)采用图像灰度梯度清晰度算子分别计算干涉图组中I1、I2、I3在兴趣区域的清晰度s1、s2、s3，并判断干涉图组的类型：Ⅰ型是s3≥s2且s3≥s1，Ⅱ型是s1≥s2且s1＞s3，Ⅲ型是s2＞s1且s2＞3；

5)根据干涉图组的类型，干涉显微镜自动对焦装置开始下一步动作：若干涉图组属于Ⅰ型，扫描器9移动到位置2.85μm，相机采集干涉条纹图像I4，I2、I3、I4按顺序组成一个新的干涉图组G＝{I2,I3,I4}，重复步骤4)；若干涉图组属于Ⅱ型，扫描器9移动到位置-0.95μm，相机采集干涉条纹图像I4，I4、I2、I3按顺序组成一个新的干涉图组G＝{I4,I2,I3}，重复步骤4)；若干涉图组属于Ⅲ型，开始下一步；这一步的作用是按照采集到的干涉条纹清晰度确定下一步的扫描位置，直到寻找到清晰度最大的位置z0；

6)关闭窄光谱光源1，开启宽光谱光源2；

7)扫描器从z0-3μm开始扫描到z0+3μm结束，扫描步长为d＝0.344μm，d＝(2Q+1)*λ2/8，这里Q＝3，扫描器9每移动距离0.344μm相机8采集一幅干涉条纹图像，共采集18幅干涉图，形成一组白光相移干涉图组，z0-r/2位置处采集的干涉图编号为1，设定的扫描范围是白光LED相干长度的2倍，6μm；

8)采用相移算法计算白光相移干涉图组中每幅图像兴趣区域内像素点的调制度m(j,k)，j是像素点的编号，j＝1,2,…,M，k是图像编号，k＝t+1,t+2,…,N-t，t的数值取决于采用的相移算法；

9)计算兴趣区域内每个像素调制度峰值的轴向位置平均值A，作为最佳对焦位置

步骤3)～5)属于粗对焦的过程，每步的扫描距离为半中心波长的整数倍(对应的相移量为2π的整数倍)，通过干涉条纹图像清晰度的变化趋势对零光程差位置进行定位，条纹清晰度的评价不依赖相邻的干涉图，计算速度快、但定位精度稍低。步骤6)～9)属于精对焦过程，每步扫描的距离为中心波长八分之一加整数倍半波长(对应的相移量为2π的整数倍加π/2)，在计算调制度时采用了相移算法计算兴趣区域内每个像素的调制度，定位精度高。

作为示例，本实施例中的兴趣区域为相机中心41x21个像素的矩形区域，共有861个像素。在粗对焦过程中，计算兴趣区域清晰度采用了梯度算子，计算区域内不同间隔的像素灰度差异，得到的粗对焦曲线见附图3。对焦曲线基本上是一条关于峰值(零光程差位置)对称的曲线。在实时自动对焦中，为了确定峰值的位置需要大致判断当前扫描位置，因此利用了相邻三幅干涉图清晰度的相对关系：若沿着扫描方向，清晰度有增大趋势(即Ⅰ型)，则继续按原方向扫描；若沿着扫描方向，清晰度有减小趋势(即Ⅱ型)，则改变扫描方向；若中间图像的清晰度最高，则表明扫描基本到峰值附近，粗对焦过程结束。三种类型的干涉图组对应的清晰度关系如附图4。

在精对焦过程中，在粗对焦定位的一定区域内做精细扫描，采用相移的方法计算条纹调制度。在本实施例中，采用Sandoz相移算法计算调制度。由于Sandoz相移算法需要利用相邻7幅的干涉图计算中间干涉图的调制度，因此得到的调制度m(j,k)矩阵中，k的维度上只有12个有效数值，即步骤8)中的t＝3。其中一个像素的调制度曲线如附图5，其调制度宽度远小于粗对焦曲线的宽度。得到兴趣区域内所有像素点的调制度之后，采用重心法计算每个像素调制度的峰值位置并取平均值，即可高精度地获得零光程差位置。

本实施例采用窄光谱光源(红光LED)能够在20μm的大范围内获得高精度的自动对焦效果，相比于采用宽光谱光源(白光LED)的白光干涉仪，增大了对焦范围。粗-精两级对焦保证了大的对焦范围和高的对焦精度。

实施例2：

本实施例基于实施例1，与实施例1的区别在于：

所述白光干涉仪自动对焦装置，由窄带滤光片、白光LED、匀光片3、照明镜组4、分光镜5、干涉物镜6、管镜7、相机8、扫描器9组成，扫描器9可沿着光轴方向做直线运动。

其中，宽光谱光源2为由白光LED发出的光、窄光谱光源1为由白光LED发出的光经过窄带滤光片过滤的光。

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 (1)

1.一种白光干涉仪自动对焦装置的自动对焦方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)启动装置，开启窄光谱光源(1)；

2)放置样品(10)，沿光轴方向调整样品(10)的位置，直到相机(8)上出现干涉条纹，在相机(8)的干涉条纹图像上设定兴趣区域，兴趣区域含有M个像素；

3)扫描器(9)开始沿正方向按步长D移动，D＝P*λ1/2，P为任意自然数，正方向可以是沿着光轴方向的任何方向，扫描器(9)每移动距离D相机(8)采集一幅干涉条纹图像，在z(i)、z(i+1)、z(i+2)三个位置处采集的干涉条纹图像分别为I(i)、I(i+1)、I(i+2)，z(i+2)-z(i+1)＝D，z(i+1)-z(i)＝D，I(i)、I(i+1)、I(i+2)按照z(i)、z(i+1)、z(i+2)逐渐增大的顺序组成一个干涉图组G；

4)采用图像清晰度算子分别计算干涉图组G中I(i)、I(i+1)、I(i+2)在兴趣区域的清晰度s(i)、s(i+1)、s(i+2)，并判断干涉图组的类型：当s(i+2)≥s(i+1)且s(i+2)≥s(i)为Ⅰ型，当s(i)≥s(i+1)且s(i)＞s(i+2)为Ⅱ型，当s(i+1)＞s(i)且s(i+1)＞s(i+2)为Ⅲ型；

5)根据干涉图组的类型，干涉显微镜自动对焦装置开始下一步动作：若干涉图组属于Ⅰ型，扫描器(9)移动到位置z(i+3)，z(i+3)-z(i+2)＝D，相机(8)采集干涉条纹图像I(i+3)，I(i+1)、I(i+2)、I(i+3)按顺序组成一个新的干涉图组G＝{I(i+1),I(i+2),I(i+3)}，重复步骤4)；若干涉图组属于Ⅱ型，扫描器(9)移动到位置z(i+3)，z(i)-z(i+3)＝D，相机(8)采集干涉条纹图像I(i+3)，I(i+3)、I(i)、I(i+1)按顺序组成一个新的干涉图组G＝{I(i+1),I(i+2),I(i+3)}，重复步骤4)；若干涉图组属于Ⅲ型，开始下一步；

6)关闭窄光谱光源(1)，开启宽光谱光源(2)；

7)扫描器(9)从z(i+1)-r/2开始扫描到z(i+1)+r/2结束，扫描步长为d，d＝(2Q+1)*λ2/8，Q为任意自然数，扫描器(9)每移动距离d相机(8)采集一幅干涉条纹图像，共采集N幅干涉图，形成一组白光相移干涉图组，z(i+1)-r/2位置处采集的干涉图编号为1，r是预先指定的扫描范围；

8)采用相移算法计算白光相移干涉图组中每幅图像兴趣区域内像素点的调制度m(j,k)，j是像素点的编号，j＝1,2,…,M，k是图像编号，k＝t+1,t+2,…,N-t，t的数值取决于采用的相移算法；

9)计算兴趣区域内每个像素调制度峰值的轴向位置平均值A，作为最佳对焦位置：

所述白光干涉仪自动对焦装置包括光源、匀光片(3)、照明镜组(4)、分光镜(5)、干涉物镜(6)、管镜(7)、相机(8)和扫描器(9)，所述窄光谱光源(1)和宽光谱光源(2)发出的光经匀光片(3)匀化后，进入照明镜组(4)形成准直光束，准直光束被分光镜(5)反射后通过干涉物镜(6)照明在样品(10)上，样品(10)反射的光束依次经过干涉物镜(6)、分光镜(5)、管镜(7)照射在相机(8)上，所述干涉物镜(6)能够在扫描器(9)的带动下沿干涉物镜(6)的光轴方向移动，其特征在于，所述光源包括两种能够独立工作的窄光谱光源(1)和宽光谱光源(2)；

所述窄光谱光源(1)的中心波长为λ1；

所述宽光谱光源(2)的中心波长为λ2。

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