CN111239047B - 一种光学设备及实现自动聚焦的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光学设备及实现自动聚焦的方法。该方案中，光学设备包括光学处理模块和自动聚焦模块，其中，光学处理模块用于实现该光学设备固有的光学处理功能；而自动聚焦模块则用于实现对该光学设备的自动聚焦。自动聚焦模块中包括光源和第一共聚焦器件，应用该光源和第一共聚焦器件即采用共聚焦技术，提升自动聚焦的精度。因此，该光学设备可以很好地应用在对于自动聚焦精度具有较高要求的光学处理环节。

Description

一种光学设备及实现自动聚焦的方法

技术领域

本申请涉及光学检测技术领域，特别是涉及一种光学设备及实现自动聚焦的方法。

背景技术

在本导体或相关制造产业中，通常需要高倍的光学设备来对样品的关键指标进行检测或进行其他类型的光学处理。在高倍的光学设备中，物镜的焦深非常有限。焦深又称为景深，是指利用观察和拍摄样品表面时，从对准焦点的位置开始，改变物镜与样品表面的距离时，对焦能够保持清晰的范围。为了避免利用光学设备时，由于样品(例如晶元)翘曲或者样品表面结构起伏导致离焦，目前高倍光学设备通常会集成一套自动聚焦功能的系统。

自动聚焦系统使用通过透镜(TTL，Through-the-lens)的激光三角法，其速度能够达到kHz量级(即1毫秒)，但是追踪精度较低，通常只有景深的四分之一。

在套刻对准测量等光学处理应用中，要求自动聚焦的精度(即离焦量)小于景深的十分之一，而上述自动聚焦的方式无法满足该要求。

发明内容

基于上述问题，本申请提供了一种光学设备及实现自动聚焦的方法，以提升自动聚焦的精度。

本申请实施例公开了如下技术方案：

第一方面，本申请提供一种光学设备，包括：光学处理模块和自动聚焦模块；所述光学处理模块包括物镜；所述自动聚焦模块包括：光源、第一共聚焦器件、探测元件和控制单元；

所述光源用于发射探测光，所述探测光经过所述物镜照射至待测物表面；所述探测光经所述待测物表面的光学作用形成信号光；

所述物镜用于收集所述信号光，并使所述信号光到达所述第一共聚焦器件；

所述第一共聚焦器件用于在所述待测物离焦时限制所述信号光穿过，所述第一共聚焦器件与所述物镜的焦平面共轭；

所述探测元件用于采集穿过所述第一共聚焦器件的信号光，并将采集到的信号光转换为电信号；

所述控制单元用于根据所述电信号确定所述物镜的焦平面位置，并根据所述焦平面调整所述物镜和所述待测物的相对位置；

所述光学处理模块用于通过所述物镜对所述待测物进行光学处理。

可选地，所述第一共聚焦器件还用于使所述探测光穿过；所述物镜还用于使穿过所述第一共聚焦器件的探测光到达待测物表面。

可选地，所述自动聚焦模块还包括：第二共聚焦器件，用于对所述光源发射的探测光进行限制。

可选地，所述第二共聚焦器件包括：一个或多个光受限单元，所述第二共聚焦器件与所述物镜焦平面共轭。

可选地，所述探测元件包括多个探测器单元，所述第一共聚焦器件包括多个共聚焦单元，所述探测器单元用于分别接收穿过所述共聚焦单元的信号光。

可选地，所述第一共聚焦器件还包括第一透镜阵列，所述第一透镜阵列包括多个透镜单元，各透镜单元用于收集信号光，分别将收集的信号光传递至不同的共聚焦单元。

可选地，所述共聚焦单元为针孔单元或光纤。

可选地，所述探测器单元为光电二极管或光电倍增管。

可选地，当所述光学设备还包括所述第二共聚焦器件，所述第二共聚焦器件包括多个光受限单元时，各光受限单元透过的探测光经待测物表面的光学作用形成的信号光分别到达不同的共聚焦单元。

可选地，各光受限单元透过的探测光经待测物表面形成的信号光分别被不同的探测器单元接收。

可选地，所述光受限单元为针孔单元或光纤。

可选地，第一共聚焦器件包括光纤；所述自动聚焦模块还包括：光纤耦合器，所述光纤耦合器包括第一端、第二端和第三端；所述第一共聚焦器件与所述第一端光连接，所述探测元件与所述第二端光连接；所述物镜与所述第三端光连接。

可选地，所述自动聚焦模块还包括：第二透镜，用于收集穿过所述第一共聚焦器件的信号光；所述探测元件用于接收穿过所述第二透镜的信号光。

可选地，所述第二透镜为单个透镜或透镜阵列；

当所述第二透镜为透镜阵列时，该透镜阵列的透镜单元用于分别收集穿过不同共聚焦单元的信号光，并将穿过不同共聚焦单元的信号光分别提供给所述探测元件的不同探测器单元。

当所述第二透镜为单个透镜，且所述第一共聚焦器件位于所述第二透镜的傅里叶平面处时，所述探测元件与所述第二透镜之间的距离大于或等于第二透镜的焦距；

当所述第二透镜为单个透镜，且所述第一共聚焦器件不包括单个透镜时，所述探测元件与所述第二透镜之间的距离大于第二透镜的焦距。

可选地，所述自动聚焦模块还包括：第一分光元件，用于将所述光源发射的探测光分束，将其中的一束提供给所述第一共聚焦器件；

所述第一分光元件，还用于将来自所述第一共聚焦器件的信号光提供给所述探测元件。

可选地，所述光学处理模块还包括：第二分光元件；

所述第二分光元件用于将来自所述自动聚焦模块的探测光反射提供给所述物镜，以及用于将所述物镜传输的信号光反射提供给所述自动聚焦模块。

可选地，所述自动聚焦模块还包括：光强波动探测器和第三分光元件，所述第三分光元件用于对光源出射的探测光进行分光，所述光强波动探测器与所述控制单元电连接，用于采集所述第三分光元件分出的另一束光，将其转换成电信号，将该电信号提供给所述控制单元；

所述控制单元还用于根据所述光强波动探测器提供的电信号获得光强波动补偿量；根据光强波动补偿量以及所述探测元件列提供的电信号，确定所述物镜的焦平面位置。

可选地，所述第一分光元件具体为偏振分光元件；所述自动聚焦模块还包括：偏振波片，用于接收穿过偏振分光元件的探测光，并将待测物返回的信号光传递至所述偏振分光元件，且使穿过所述偏振分光元件的探测光与到达所述偏振分光元件的信号光具有不同的偏振态。

可选地，所述自动聚焦模块还包括：准直透镜组，用于接收穿过所述第一共聚焦元件的信号光，并对接收带的信号光进行准直；所述探测元件用于接收经所述准直透镜组准直的信号光。

可选地，所述自动聚焦模块还包括：扫描单元；所述探测元件和所述控制单元分别与所述扫描单元电连接；

所述扫描单元用于使待测物或所述物镜沿着物镜的光轴方向移动扫描；

所述控制单元用于获取待测物和物镜之间的相对位置，以及所述探测元件获取的信号光强度之间的对应关系，并根据所述信号光强度峰值对应的所述相对位置确定所述物镜的焦平面位置。

可选地，所述控制单元用于根据确定的所述焦平面位置，控制所述光学处理模块相对于所述待测物移动，或者控制所述待测物相对于所述光学处理模块移动，以实现对所述待测物的聚焦。

第二方面，本申请提供一种应用第一方面提供的光学设备实现自动聚焦的方法，包括：

在光学处理模块与待测物发生相对移动的过程中，利用探测元件获得电信号；

根据电信号的大小确定出物镜的焦平面位置，并根据所述焦平面调整所述物镜和所述待测物的相对位置。

相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：

在本申请提供的技术方案中，光学设备包括光学处理模块和自动聚焦模块，其中，光学处理模块用于实现该光学设备固有的光学处理功能；而自动聚焦模块则用于实现对该光学设备的自动聚焦。自动聚焦模块中包括光源和第一共聚焦器件，应用该光源和第一共聚焦器件即采用共聚焦技术，提升自动聚焦的精度。因此，该光学设备可以很好地应用在对于自动聚焦精度具有较高要求的光学处理环节。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种光学设备的结构示意图；

图2a为本申请实施例提供的一种光学设备的光路示意图；

图2b为本申请实施例提供的另一种光学设备的光路示意图；

图3为本申请实施例提供的一种光强校准光路的示意图；

图4为本申请实施例提供的一种微透镜阵列、第一分光元件以及针孔阵列的光连接关系示意图；

图5a为本申请实施例提供的又一种光学设备的光路示意图；

图5b为本申请实施例提供的再一种光学设备的光路示意图。

具体实施方式

正如前文描述，目前的光学设备无法满足对自动聚焦的精度高要求。基于此问题，发明人经过研究提供一种光学设备及应用该设备实现自动聚焦的方法。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

设备实施例一

图1为本申请实施例提供的一种光学设备100的结构示意图。

图1所示，该光学设备100包括：光学处理模块101和自动聚焦模块102。

作为示例，光学处理模块101可以是套刻检测系统，应用了传统的基于成像和图像识别的套刻测量技术(IBO，Imaging Based Overlay)或者基于衍射光探测的套刻测量技术(DBO，Diffraction Based Overlay)。此外，光学处理模块还可以是暗场缺陷检测系统、白光干涉系统或者椭偏仪等。此处对光学处理模块的具体类型不加限定。

光学处理模块101的用途可以是形成对于待测物进行检测或测量的光路。光学处理模块中包括物镜1011，还可以包括其他光学器件，例如管镜、光阑、分光器或平面镜等。物镜1011可以包括一个或多个透镜，物镜1011是整个光学处理模块中距离待测物最近的透镜或透镜组。

光学处理模块101与待测物的距离是可调的，调节方式包括：电控调节和手动调节。对于光学处理模块101，如果待测物处在物镜1011的焦平面或者焦平面前后预设区间内，则称为在焦，成像较为清晰；如果待测物未处在物镜1011的焦平面或焦平面前后预设区间内，则称为离焦，成像较为模糊。

在本申请实施例中，自动聚焦模块102可以包括但不限于：光源1021、第一共聚焦器件1023、探测元件1024和控制单元1025。在图1中所示的各个器件之间，虚线表示光连接的关系，实线表示电连接的关系。

所述光源1021用于发射探测光，所述探测光经过所述物镜1011照射至待测物表面；所述探测光经所述待测物1011表面的光学作用(可以是反射)形成信号光。为便于区分光束的走向，本实施例中将到达待测物之前的光束称为探测光，将待测物1011进行光学作用后的光束称为信号光。

光源1021可以是激光器或者发光二极管等。此处对光源1021的具体类型不进行限定。在以下的描述中以激光器作为光源进行示例性的描述。

所述物镜1011用于收集所述信号光，并使所述信号光到达所述第一共聚焦器件1023；

所述第一共聚焦器件1023用于在所述待测物离焦时限制所述信号光穿过，所述第一共聚焦器件1023与所述物镜1011的焦平面共轭；

所述探测元件1024用于采集穿过所述第一共聚焦器件1023的信号光，并将采集到的信号光转换为电信号；

所述控制单元1025用于根据所述电信号确定所述物镜1011的焦平面位置，并根据所述焦平面调整所述物镜1011和所述待测物的相对位置；

所述光学处理模块101用于通过所述物镜1011对所述待测物进行光学处理。

需要说明的是，在本申请实施例中，作为一种可能的实现方式，可以由同一个共聚焦器件使探测光经过以及使信号光经过。即由第一共聚焦器件1023完成上述功能。对于此种实现方式，物镜1011还用于使传过第一共聚焦器件1023的探测光到达待测物表面。本申请实施例中，作为另一种可能的实现方式，还可以由不同的共聚焦器件分别是探测光经过和使信号光经过。即，由第一共聚焦器件1023使信号光经过，由第二共聚焦器件使探测光经过，其中第二共聚焦器件与物镜1011的焦平面共轭。

需要说明的是，在实际应用中，第一共聚焦器件1023的作用是在待测物离焦时限制信号光的穿过。此处，限制的含义不是完全阻止。例如，一整束信号光经过第一共聚焦器件1023时，第一共聚焦器件1023会约束一部分信号光的经过。

对于探测光，其在不同的实现方式中可能经过第一共聚焦器件1023或者另一共聚焦器件(即第二共聚焦器件)。对于探测光，其经过的共聚焦器件的作用是对光源发射的探测光进行限制。类似地，限制也是部分约束而不是完全绝对地阻止。

本实施例中，第一共聚焦器件1023是该光学设备100实现共聚焦的关键器件。第一共聚焦器件1023可以用于在所述待测物离焦时限制所述探测元件1024采集的光的范围。另外，第一共聚焦器件1023与物镜1011的焦平面共轭。因为二者共轭，因此，该第一共聚焦器件1023所在的自动聚焦模块102可以用于确定物镜1011的焦平面位置。

需要说明的是，在实际应用中，如果待测物在焦，则在共聚焦平面上形成的光斑较小，第一共聚焦器件1023对探测元件1024采集的光的范围限制作用较小。信号光的传输路径上光束绝大多数能够通过第一共聚焦器件1023，故探测元件1024探测到的光强较强。

而如果待测物离焦，则在共聚焦平面上形成的光斑较大，第一共聚焦器件1023对探测元件1024采集的光的范围限制作用较大。信号光的传输路径上光束仅有少部分能够通过第一共聚焦器件1023，大部分被第一共聚焦器件1023的不透光部分遮挡，故探测元件1024探测到的光强较弱。

探测元件1024用于将采集到的光转换为电信号，电信号的幅度可以反映采集到的光强的大小。即，电信号幅度越大，采集的光强越强；电信号幅度越小，采集的光强越小。

通过前面对第一共聚焦器件1023的描述，可以理解的是，如果待测物正处于物镜1011的焦平面，则第一共聚焦器件1023对共聚焦平面上通光限制较小，信号光大多能够通过第一共聚焦器件1023而非被阻挡。因此，待测物在焦时探测元件1024采集的光强应该是最大的。如果待测物和物镜1011之间的相对位置发生变化，例如物镜1011相对于待测物移动或者待测物相对于物镜1011移动，则探测元件1024采集的光强会发生变化，当待测物处于物镜1011的焦平面时，探测元件1024转换出的电信号达到峰值。

本实施例中，控制单元1025与探测元件1024之间可以进行电连接，即探测元件1024可以将转换的电信号发送给控制单元1025，进而控制单元1025能够根据所述电信号利用某些处理算法(例如高斯拟合)求取峰值，最后确定所述物镜1011的焦平面位置。

当控制单元1025确定出物镜1011的焦平面位置后，可以根据焦平面调整物镜1011和待测物的相对位置。例如，如果待测物离焦，则控制模块1025调节物镜1011和待测物的距离。光学处理模块101位置调整后的物镜对待测物进行光学处理。

具体的光学处理方式与光学处理模块101固有的光学处理功能相关。例如，可以是对待测物进行成像检测等。由于光学处理模块101的具体类型不进行限定，因此相应地，对其在获知物镜1011的焦平面位置后执行的具体功能也不进行限定。

在本申请实施例提供的技术方案中，自动聚焦模块102中包括光源1021和第一共聚焦器件1023，应用该光源1021和第一共聚焦器件1023即采用共聚焦技术，提升自动聚焦的精度。因此，该光学设备100可以很好地应用在对于自动聚焦精度具有较高要求的光学处理环节。

在一种可能的实现方式中，探测元件1024可以为一个探测器单元，例如一个光电二极管或者光电倍增管；在另一种可能的实现方式中，探测元件1024可以为探测阵列，例如光电二极管阵列检测器(PDA，Photo-diodeArray)，其包括多个探测器单元。对于后面的这一种实现方式，第一共聚焦器件可以包括多个共聚焦单元，探测元件的探测器单元用于分别接收传过共聚焦单元的信号光。

实际应用中，探测阵列可以用于多点激光共聚焦。其响应速度极其快，能够达到微秒或纳秒的量级，因此相应地，提升了本实施例中光学设备的自动聚焦速度。满足实际应用中，对于自动聚焦速度的高要求。

如果自动聚焦模块102还采用了前述的第二共聚焦器件用以对光源1021发射的探测光进行限制，第二共聚焦器件可以包括一个或多个光受限单元。需要说明的是，当第二共聚焦器件包括多个光受限单元，探测元件1024包括多个探测器单元，第一共聚焦器件1023包括多个共聚焦单元时，第二共聚焦器件的各光受限单元透过的探测光经待测物表面的光学作用形成的信号光分别到达不同的共聚焦单元，并被不同的探测器单元接收。

另外需要说明的是，在实际应用中图1所示的待测物的位置还可以置换为一个平面镜，利用该平面镜而非真实的待测物来实现自动聚焦。聚焦完成后再以待测物替换该平面镜。

实际应用中，第一共聚焦器件1023包括多种可能的实现形式。作为一示例，第一共聚焦器件1023可以包括以下任意一种：

1)一个针孔单元；

2)一个针孔单元+单个透镜；

3)针孔阵列，该针孔阵列包括多个针孔单元；一个针孔相当于一个共聚焦单元；

4)针孔阵列+第一透镜阵列，该针孔阵列包括多个针孔单元，该第一透镜阵列包括多个透镜单元，透镜单元收集从针孔单元经过的信号光，并分别将收集的信号光传递至不同的共聚焦单元；相互对应的一对针孔单元和透镜单元相当于一个共聚焦单元；

5)针孔阵列+第一透镜阵列+单个透镜；

6)多根光纤；一根光纤相当于一个共聚焦单元。

作为示例，第二共聚焦器件可以为针孔阵列或光纤分束器。因此，第二共聚焦器件的光受限单元可以是针孔单元或者光纤。当光受限单元为光纤时，作为示例，其具体可以是光纤分束器的出射端口的光纤。

下面通过实施例描述光学设备的变型实现方式。

设备实施例二

图2a为本申请实施例提供的一种光学设备的光路示意图。该光学设备的电连接关系以及电连接相关的器件没有逐一在该图中示出。在图2a中，光学处理模块101可以是数值孔径较高的显微成像系统，包括物镜1011、第二分光元件202、第一管镜204和成像探测器件205。

对于图2a所示的光学设备，其自动聚焦模块还可以包括：第一分光元件1022、第一平面镜201、第二管镜203、光束整形器206和准直透镜组207。

该实施例提供的光学设备的自动聚焦模块中，第一共聚焦器件包括第一透镜阵列1023a和针孔阵列1023b。

第一分光元件1022位于激光光源1021与第一共聚焦器件之间。在本实施例中，探测光和信号光均经过该第一共聚焦器件。激光光源1021可以直接将光发射到第一共聚焦器件，也可以经过该第一分光元件1022将光发射到第一共聚焦器件。例如，第一分光元件1022可以将激光光源1021提供的探测光束分为透射光束和反射光束，其中的一束提供给第一共聚焦器件用作自动聚焦用。另外，第一分光元件1022还可以将来自第一共聚焦器件(包括1023a和1023b)的信号光提供给探测元件1024。例如，如果第一分光元件1022将透射光束提供给第一共聚焦器件1023，则可以将来自第一共聚焦器件的光束反射提供给探测元件1024。

作为示例，第一分光元件1022可以是分光平片、立方分光镜、偏振分光棱镜(PBS，Polarization Beam Splitter)。

本实施例中，第一分光元件1022用于将激光光源1021发射的光分为透射光束和第一反射光束。本实施例具体应用了第一分光元件1022产生的该透射光束。第一分光元件1022产生的透射光束经过光学处理模块101的物镜1011射向待测物，并被所述待测物反射成为第二反射光束，该第二反射光束能够沿着原路或者与原路近似的路线回返：第二反射光束经过物镜1011后进入到第一分光元件1022，第一分光元件1022再将光束反射到所述探测元件1024，由探测元件1024采集得到。

可选地，光束整形器206位于激光光源1021和第一分光元件1022之间，用于对所述激光光源1021发射的光进行整形后，发送给所述第一分光元件1022，以便于第一分光元件对整形后的光束进行分光，再将其中一束探测光提供给第一共聚焦器件。

下面描述光束的传输路径。

激光光源1021发射的光经过光束整形器206整形，被扩束和准直化，进入到第一分光元件1022。第一发光元件1022将入射的光束分为第一反射光束(图2a未示出)和透射光束。其中透射光束继续进入到透镜1023a，被透镜会聚，入射到针孔阵列1023b的针孔单元。在针孔阵列1023b中，除了针孔单元可以透光，其余部分均是遮光的。光束从针孔单元透射而出，由第一镜组折射到第一平面镜201。第一平面镜201将光束反射到第二分光元件202上。第二分光元件202也具备透射光和反射光的功能。第二分光元件202将第一平面镜201反射的光再次反射，光束经过物镜1011入射到待测物或用于标定焦平面位置的平面镜。此处可以理解为，第二分光元件用于将来自自动聚焦模块的探测光反射给物镜1011，以及用于将物镜1011传输的信号光反射提供给自动聚焦模块。

入射后，待测物或者该平面镜可以将光束反射，本实施例中将该反射光束称为第二反射光束。第二反射光束沿着原路返回，即依次经过物镜1011透射、第二分光元件202反射、第一平面镜201反射、第二管镜203，透射到针孔阵列1023b。如果待测物或者标定平面镜在焦，则针孔阵列1023b上的光斑较小，并且光束能够较准确地从针孔单元穿过和返回；如果待测物或者标定平面镜离焦，则针孔阵列1023b上的光斑较大，大部分光斑能量被针孔阵列1023b的非针孔单元的部分遮挡和阻拦，仅有一小部分能够穿过针孔单元。穿过针孔阵列的光束穿过第一透镜阵列1023a，进入到第一分光元件1022。在第一分光元件1022的作用下，反射到准直透镜组207，光束经过准直透镜组207后平行进入到探测元件1024，被探测元件1024所采集。此处的探测元件1024可以是探测阵列。

需要说明的是，在实际应用中，探测阵列1024和准直透镜组207之间还可以设置有微透镜阵列，具体设置于如图2a中所示的位置333。位置333处设置的微透镜阵列上，每个微透镜单元与探测阵列1024的探测器单元一一对应。微透镜单元用于将来自准直透镜组207的光折射，使其会聚进入该微透镜单元对应的探测器单元。

另外，图2a所示的结构中，准直透镜组207还可以替换为第二透镜。如图2b所示，该图中第二透镜208位于探测元件1024的前方，即也在探测元件1024承接信号光的传输路径上。第二透镜208可以是透镜阵列或单个透镜。当第二透镜208为透镜阵列时，探测元件1204应当为探测阵列，即包括多个探测器单元。该透镜阵列的透镜单元用于分别收集穿过不同共聚焦单元的信号光，并将信号光分别提供给所述探测元件的不同探测器单元。

当所述第二透镜208为单个透镜，且所述第一共聚焦器件位于第二透镜的傅里叶平面处时，所述探测元件1024与所述第二透镜208之间的距离大于或等于第二透镜208的焦距；

具体的，当第二透镜208为单个透镜，且第一共聚焦器件至所述第一分光元件1022之间的光路中不具有单个透镜时，所述探测元件1024与所述第二透镜208之间的距离大于或等于第二透镜208的焦距。

当所述第二透镜208为单个透镜，且所述第一共聚焦器件不包括单个透镜时，所述探测元件1024与所述第二透镜208之间的距离大于第二透镜208的焦距。

按照上述描述如此设置，保证采集信号光的效果。

在实际应用中，为了进一步提升探测元件采集信号光的质量和准确性，第一分光元件1022具体可以是偏振分光元件PBS。此时，自动聚焦模块还可以进一步包括偏振波片，用于接收穿过PBS的探测光，并将待测物返回的信号光传递至所述PBS，且使穿过所述PBS的探测光与到达所述PBS的信号光具有不同的偏振态。

举例来说，该偏振波片可以是四分之一波片222。该四分之一波片222可以是设置在图2a所示的第二管镜203与第一平面镜201之间。四分之一波片222的光轴与入射光轴承45°夹角。本实施例中，PBS将来自激光光源1021的光束分为透射光束和第一反射光束(图2a中未示出)，其中透射光束是高纯度的线偏振光(例如p光)。由于四分之一波片222的光轴相对于入射光轴的45°夹角，能够将透射光束转换为圆偏振光。而经过物镜或标定平面镜对光束的反射，再次聚焦到针孔阵列1023b的光束的偏振态与反方向的光束的偏振态相差90°(即s光)。由于s光不会沿PBS透射，因此不会进入到激光光源1021，从而不会损伤到激光光源1021的器件性能。另外，由于PBS向探测元件1024反射的光束为高纯度的s光，因此相比于自然光，减少干扰光束对探测准确性的影响。

另外，如果四分之一波片222接收的探测光是s光(简称s探测光)，则其用于将s探测光转化为圆偏振探测光，以及将接收的圆偏振信号光转换为p光信号光(简称p信号光)。

在实际应用中，激光光源1021提供的光束的强度可能存在一定程度的波动，有可能影响控制单元1025确定出的焦平面位置的准确性。为了避免上述影响，可以通过对第一分光元件分出的另一光束的探测，实现对光强波动的补偿。从而提升确定出的焦平面位置的准确性。

可参见图3，该图是光强校准光路的示意图，其中仅截取了图2a所示光路图的局部。在图3中，第一分光元件1022将激光光源1021提供且经过光束整形器206整形后的光束分为透射光束(图3未完整示出)和第一反射光束。第一发射光束经过第三镜组301后，射向光强波动探测器302。其中，第三镜组301以及光强波动探测器302也属于自动聚焦模块102。该光强波动探测器302可以是一个光探测元件，还可以是阵列形式排布的多个光探测元件。可以理解的是，当激光光源1021发光不稳定，发出的光的强度存在波动时，透射光束和第一反射光束均发生相应的波动。利用光强波动探测器302来探测光，其及可以将第一反射光束采集后转换为电信号。

光强波动探测器302与控制单元1025存在电连接的关系，可以将转换的电信号提供给控制单元1025，以便其对电信号进行运算处理。控制单元1025还用于根据所述光强波动探测器302提供的电信号获得光强波动补偿量；根据光强波动补偿量以及所述探测元件1024提供的电信号，确定所述物镜1011的焦平面位置。

可以理解的是，激光光源1021提供的光的强度波动会等比例地反映在第一反射光束和透射光束，其中，前者对应于光强波动探测器302，后者对应于探测元件，因此光强波动补偿量适用于对探测元件提供的电信号所反映出的光的强度进行补偿，减少因为光强波动带来的准确性影响。可见，图3所示的光强校准光路能够提升确定出的焦平面位置的准确性，实现更加精准的自动聚焦效果。

在图2a所示的光路图中，微透镜阵列1023a和针孔阵列1023b共同位于第一分光元件1022的同一侧，即位于透射光束的传输路径上(同样也是位于第二反射光束的传输路径上)。作为另一种可能的实现方式，还可以调整第一分光元件1022和微透镜阵列1023a的相对位置关系。例如，将微透镜阵列1023a设置在激光光源1021和第一分光元件1022之间，如此，微透镜阵列1023a和针孔阵列1023b分处于第一分光元件1022的两侧。参见图4所示，该图为微透镜阵列1023a、第一分光元件1022以及针孔阵列1023b的光连接关系示意图。

设备实施例三

图5a为本申请实施例提供的另一种光学设备的光路示意图。该光学设备的电连接关系以及电连接相关的器件没有逐一在该图中示出。

在本实施例中，第一共聚焦器件为接收光纤1023d；第二共聚焦器件为光纤分束器1023c，该光纤分束器1023c的每一个出射端口的光纤作为一个光受限单元。所述接收光纤1023d的数量与所述光纤分束器1023c的出射端口的数量一致；所述接收光纤1023d的入射端口位于第二反射光束(信号光)的传输路径上，接收光纤1023d的出射端口与探测元件1024的探测器单元之间光连接。

在图5a中，箭头s501表示从光纤分束器1023c的出射端口出射的光束从第一分光元件1022透射的方向，即表示透射光束(探测光)的方向；箭头s502表示透射光束被待测物或标定平面镜反射为第二反射光束(信号光)的方向，即表示第二反射光束的方向；箭头s503表示第二反射光束进入接收光纤1023d的入射端口后，沿着接收光纤1023d的传输方向。

需要说明的是，实际应用中接收光纤1023d还可以替换为透镜。该透镜将第一分光元件1022反射的光会聚后提供给探测元件1024。

如图5a所示，透射光束及所述第二反射光束各自包括的光束数量与所述光纤分束器1023c的出射端口的数量一致。光纤分束器1023c位于所述激光光源1021与第一分光元件1022之间，激光光源1021发射的光经过光纤分束器1023c分束后入射到第一分光元件1022。

图5a中，多个圆圈分别代表共聚焦点。实际应用中，如果待测物或标定平面镜离焦，则很多光束在共聚焦点处形成的光斑较大，光强不汇集，导致探测元件1024探测到的光强较弱。而如果待测物或标定平面镜在焦，则第二反射光束在共聚焦点处形成的光斑较小，光强汇集，进而探测元件1024探测到的光强较强。

可以理解的是，探测元件1024可以将转换的电信号提供给控制单元(图5a中未示出)。进而控制单元可以在物镜与待测物(或标定平面镜)的距离发生变化时根据电信号的大小变化确定出峰值，该峰值发生时刻待测物或标定平面镜所在的位置即为物镜1011的焦平面位置。

在本实施例中，也可以包括光强校准光路，光强校准光路可以参见图3，此处不做赘述。另外，如果图5a所示的第一分光元件1022具体为PBS时，图5a所示的光路中还可以进一步包括四分之一波片，从而提升探测元件1024采集光的质量和准确性。作为示例，四分之一波片可以设置在PBS和物镜1011之间。

下面结合图5b提供本申请实施例的光学设备的再一种实现方式。

在图5b中，第一共聚焦器件包括光纤分束器1023c；自动聚焦模块还包括：1×2光纤耦合器1023e，所述1×2光纤耦合器1023e包括第一端、第二端和第三端，其中所述第一端和所述第二端位于同侧，所述第三端为所述第一端和所述第二端的对侧；所述第一共聚焦器件即光纤分束器1023c，其出射端口的光纤(即光受限单元)与所述第一端光连接，所述探测元件1024与所述第二端光通过光纤(即共聚焦单元)实现连接；所述物镜与所述第三端光连接。

激光光源1021与光纤分束器1023c连接，光纤分束器1023c出射的光经过一组耦合镜进入到光纤耦合器1023e的第一端(如图5b分支1)，再从第三端出射；第三端通过光纤将光传递给图5b下方的透镜501、第三分光元件502和物镜1011。其中，第三分光元件502用于将光透射给物镜。待测物或用于标定焦平面位置的平面镜将光反射，沿着原路回到第三端，并经过光纤耦合器回归到第二端(如图5b分支2)，被探测元件1024探测。

第三分光元件502反射的光束、聚光镜和另一光强波动探测器则用于校准。所述第三分光元件502用于对光源出射的探测光进行分光，所述光强波动探测器PD与所述控制单元(图5b未示出)电连接，用于采集所述第三分光元件502分出的另一束光，将其转换成电信号，将该电信号提供给所述控制单元；

所述控制单元还用于根据所述光强波动探测器PD提供的电信号获得光强波动补偿量；根据光强波动补偿量以及所述探测元件1024提供的电信号，确定所述物镜1011的焦平面位置。

校准原理已经在前述实施例描述过，故在此不做赘述。

在以上提供的各设备实施例中，作为可能的实现方式，自动聚焦模块还可以包括：扫描单元。探测元件1024和控制单元1025分别与扫描单元电连接。

扫描单元用于使待测物或者物镜1011沿着物镜1011的光轴方向移动扫描；

控制单元1025用于获得待测物和物镜1011之间的相对位置，以及探测元件1024获取的信号光强度之前的对应关系，并根据信号光强度峰值对应的相对位置确定物镜1011的焦平面位置。

例如，控制单元1025获得所述探测元件1024转换出的电信号的幅度分布曲线或所述电信号对应的光强分布曲线。根据所述幅度分布曲线或所述光强分布曲线，确定出峰值对应的位置，根据峰值对应的位置确定所述物镜1011的焦平面位置，控制所述光学处理模块相对于所述待测物移动，或者控制所述待测物相对于所述光学处理模块移动，以实现对所述待测物的聚焦。

基于前述实施例提供的光学设备，相应地，本申请还提供一种实现自动聚焦的方法。下面结合实施例进行描述。

方法实施例

本实施例方法在具体实现时，利用前述设备实施例提供的光学设备来实现对待测物的自动聚焦和检测。

该方法需要确定出焦平面位置。在光学设备的光学处理模块与待测物发生相对移动的过程中，利用探测元件获得电信号；再根据电信号的大小确定出物镜的焦平面位置，并根据所述焦平面调整所述物镜和所述待测物的相对位置。例如，当电信号达到峰值时，将该峰值电信号的采集时刻标定平面镜(或待测物)所在的位置作为物镜的焦平面位置。确定该焦平面位置后，可以手动直接将待测物放置到该焦平面位置，也可以手动调节物镜的位置(远离或靠近待测物)，以使待测物能够恰巧处于物镜的焦平面上。

在本申请提供的技术方案中，光学设备为前述实施例提供的任意一种光学设备。其自动聚焦模块中包括光源和共聚焦器件，应用该激光光源和共聚焦器件即采用共聚焦技术，提升自动聚焦的精度。另外，在光学设备中以探测元件实现对光的采集和光电转换，其位探测阵列时，响应速度快(达到微秒或纳秒)，进行多点共聚焦，提升了自动聚焦的速度。该光学设备既满足了速度要求又满足了精度要求，可以很好地应用在对于自动聚焦精度具有较高要求的光学处理环节。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例而言，由于其基本相似于设备实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见设备实施例的部分说明即可。以上所描述的设备及系统实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元提示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本申请的一种具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种光学设备，其特征在于，包括：光学处理模块和自动聚焦模块；所述光学处理模块包括物镜；所述自动聚焦模块包括：光源、第一共聚焦器件、探测元件和控制单元；

所述光源用于发射探测光，所述探测光经过所述物镜照射至待测物表面；所述探测光经所述待测物表面的光学作用形成信号光；

所述物镜用于收集所述信号光，并使所述信号光到达所述第一共聚焦器件；

所述第一共聚焦器件用于在所述待测物离焦时限制所述信号光穿过，所述第一共聚焦器件与所述物镜的焦平面共轭；

所述探测元件用于采集穿过所述第一共聚焦器件的信号光，并将采集到的信号光转换为电信号；

所述控制单元用于根据所述电信号确定所述物镜的焦平面位置，并根据所述焦平面调整所述物镜和所述待测物的相对位置；

所述光学处理模块用于通过所述物镜对所述待测物进行光学处理；

所述探测元件包括多个探测器单元，所述第一共聚焦器件包括多个共聚焦单元，所述探测器单元用于分别接收穿过所述共聚焦单元的信号光；

所述自动聚焦模块还包括：第二共聚焦器件，用于对所述光源发射的探测光进行限制；

所述第二共聚焦器件包括：一个或多个光受限单元，所述第二共聚焦器件与所述物镜焦平面共轭；

各光受限单元透过的探测光经待测物表面形成的信号光分别被不同的探测器单元接收；

当所述光学设备还包括所述第二共聚焦器件，所述第二共聚焦器件包括多个光受限单元时，各光受限单元透过的探测光经待测物表面的光学作用形成的信号光分别到达不同的共聚焦单元；

所述第一共聚焦器件的实现形式包括：针孔阵列与第一透镜阵列的组合或多根光纤，其中，所述针孔阵列包括多个针孔单元，所述第一透镜阵列包括多个透镜单元，所述透镜单元收集从所述针孔单元经过的信号光并分别将收集的信号光传递至不同的共聚焦单元；一对所述针孔单元和所述第一透镜阵列为一个所述共聚焦单元；一根光纤为一个所述共聚焦单元；所述针孔阵列与所述探测器单元一一对应。

2.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述第一共聚焦器件还用于使所述探测光穿过；所述物镜还用于使穿过所述第一共聚焦器件的探测光到达待测物表面。

3.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述第一共聚焦器件还包括第一透镜阵列，所述第一透镜阵列包括多个透镜单元，各透镜单元用于收集信号光，分别将收集的信号光传递至不同的共聚焦单元。

4.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述探测器单元为光电二极管或光电倍增管。

5.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述光受限单元为针孔单元或光纤。

6.根据权利要求2所述的光学设备，其特征在于，所述第一共聚焦器件包括光纤；所述自动聚焦模块还包括：光纤耦合器，所述光纤耦合器包括第一端、第二端和第三端；所述第一共聚焦器件与所述第一端光连接，所述探测元件与所述第二端光连接；所述物镜与所述第三端光连接。

7.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述自动聚焦模块还包括：第二透镜，用于收集穿过所述第一共聚焦器件的信号光；所述探测元件用于接收穿过所述第二透镜的信号光。

8.根据权利要求7所述的光学设备，其特征在于，所述第二透镜为单个透镜或透镜阵列；

当所述第二透镜为透镜阵列时，该透镜阵列的透镜单元用于分别收集穿过不同共聚焦单元的信号光，并将穿过不同共聚焦单元的信号光分别提供给所述探测元件的不同探测器单元。

9.根据权利要求2所述的光学设备，其特征在于，所述自动聚焦模块还包括：第一分光元件，用于将所述光源发射的探测光分束，将其中的一束提供给所述第一共聚焦器件；

所述第一分光元件，还用于将来自所述第一共聚焦器件的信号光提供给所述探测元件。

10.根据权利要求2所述的光学设备，其特征在于，所述光学处理模块还包括：第二分光元件；

所述第二分光元件用于将来自所述自动聚焦模块的探测光反射提供给所述物镜，以及用于将所述物镜传输的信号光反射提供给所述自动聚焦模块。

11.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述自动聚焦模块还包括：光强波动

探测器和第三分光元件，所述第三分光元件用于对光源出射的探测光进行分光，所述光强波动探测器与所述控制单元电连接，用于采集所述第三分光元件分出的另一束光，将其转换成电信号，将该电信号提供给所述控制单元；

所述控制单元还用于根据所述光强波动探测器提供的电信号获得光强波动补偿量；根据光强波动补偿量以及所述探测元件提供的电信号，确定所述物镜的焦平面位置。

12.根据权利要求9所述的光学设备，其特征在于，所述第一分光元件具体为偏振分光元件；所述自动聚焦模块还包括：偏振波片，用于接收穿过偏振分光元件的探测光，并将待测物返回的信号光传递至所述偏振分光元件，且使穿过所述偏振分光元件的探测光与到达所述偏振分光元件的信号光具有不同的偏振态。

13.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述自动聚焦模块还包括：准直透镜组，用于接收穿过所述第一共聚焦元件的信号光，并对接收带的信号光进行准直；所述探测元件用于接收经所述准直透镜组准直的信号光。

14.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述自动聚焦模块还包括：

扫描单元；所述探测元件和所述控制单元分别与所述扫描单元电连接；

所述扫描单元用于使待测物或所述物镜沿着物镜的光轴方向移动扫描；

所述控制单元用于获取待测物和物镜之间的相对位置，以及所述探测元件获取的信号光强度之间的对应关系，并根据所述信号光强度峰值对应的所述相对位置确定所述物镜的焦平面位置。

15.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述控制单元用于根据确定的所述焦平面位置，控制所述光学处理模块相对于所述待测物移动，或者控制所述待测物相对于所述光学处理模块移动，以实现对所述待测物的聚焦。

16.一种应用权利要求1-15任一项所述的光学设备实现自动聚焦的方法，其特征在于，

包括：

在光学处理模块与待测物发生相对移动的过程中，利用探测元件获得电信号；

根据电信号的大小确定出物镜的焦平面位置，并根据所述焦平面调整所述物镜和所述待测物的相对位置。