CN114001644A - 三波长光纤线阵列差分共焦显微探测方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学成像与检测技术领域，公开了一种三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置和方法，装置包括：三波长光源，三波长光源发出的包括三个不同波长的照明光束经第一光纤阵列法兰入射到光纤阵列耦合器后形成狭缝照明光束入射到色散物镜；色散物镜用于对各个波长的狭缝照明光束进行聚焦，形成三条共面的线测量光束并照射在被测样品表面上形成测量相交线；从被测样品表面反射的线测量光束经色散物镜后沿原光路返回至光纤阵列耦合器，然后经第二光纤阵列法兰后入射至探测模块，得到被测样品在三个不同波长下的线共焦响应强度数据，进而计算得到被测样品表面的位移信息。本发明测量精度高、测量速度快。
Description
技术领域
本发明属于光学成像与检测技术领域，具体涉及一种三波长光纤线阵列差分共焦显微探测方法与装置，可应用于IC芯片、MEMS、功能化结构微纳器件、车铣刨磨等机加工表面、喷丸磨砂表面、拉丝表面等各类样品表面形貌的快速测量。
背景技术
线共焦显微镜由苏联人G. M. Svishchev于20世纪60年代后期提出，其基本架构是：使用一对共轭狭缝进行照明和探测，通过精确控制机械运动装置如高精度电机或压电陶瓷研显微物镜光轴方向移动，从而能获取被测样品沿光轴方向的位移信息。相比于传统的点扫描式共焦显微镜，线共焦显微镜在机械装置的轴向扫描过程能获取一条直线上点沿光轴方向的位移信息，即其形貌测量效率远远优于传统的点扫描式共焦显微镜。但是，线共焦显微镜在获取位移信息的过程中，需要复杂的机械装置精确进行沿光轴方向的扫描，而机械扫描效率低、精度低，上述因素限制了线共焦显微镜获取被测样品三维形貌的速度和精度。
为了提高传统线共焦显微镜的测量速度，发表在《Optics Letters》上的《Locallyadaptive thresholding centroid localization in confocal microscopy》文献中：提出了采用一种变阈值的峰值提取算法，能满足大采样间隔时探测得到的线共焦响应强度信号的高精度处理，显著地提高线共焦显微测量速度和精度。但是，上述方法仍需要机械装置扫描，限制了线共焦显微测量速度的进一步提高。发表在《Optics Letters》上的《Simpledifferential digital confocal aperture to improve axial response of line-scanning confocal microendoscopes》文献中：通过使用两个狭缝探测器，其中一个狭缝探测器放置在与狭缝照明光源共轭位置前一个微小间隔处，另一个探测器放置于与狭缝照明光源共轭位置后相等的微小间隔处，通过对两个狭缝探测器采集的共焦响应强度值做差分操作，快速获取被测样品表面上一条直线上点的位移信息。但是，上述方法在装置构建过程中存在如下缺陷：其一、狭缝探测共轭光路的调整极其复杂，上述方法中采用双探测狭缝探测器的设计将进一步使得光路调整复杂；其二、两个的狭缝探测器沿光束光轴方向上的位移偏置需要控制在微米量级，对机械零件的加工速度提出了极高的要求；其三、上述方法的测量量程受限于显微物镜的景深，只能维持在微米至数十微米量级，无法满足复杂大量程结构的形貌测量需求。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种三波长光纤线阵列差分共焦显微探测方法与装置，以提高共焦显微探测的测量精度和测量速度。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置，包括：三波长光源、光纤阵列耦合器、色散物镜和探测模块；所述三波长光源发出的包括三个不同波长的照明光束经第一光纤阵列法兰后输入到所述光纤阵列耦合器，然后经光纤阵列耦合器输出入射到所述色散物镜；所述色散物镜对不同波长的光有不同的焦距，用于对光纤阵列耦合器输出的线型阵列照明光束进行聚焦，形成三条共面的线测量光束并照射在被测样品表面上形成测量相交线；从被测样品表面反射的直线测量光束经所述色散物镜后沿原光路返回至光纤阵列耦合器，依次经光纤阵列耦合器和第二光纤阵列法兰后入射至探测模块，经探测模块得到被测样品在三个不同波长下的线共焦响应强度数据，分别记为[I 1 1, I 1 2, I 1 3,…, I 1 M ]、[I 2 1, I 2 2, I 2 3,…, I 2 M ]、[I 3 1, I 3 2, I 3 3,…, I 3 M ]，其中，I 1 M 、 I 2 M 、I 3 M 分别表示测量相交线上的第M个测量点在三个不同波长下的共焦响应值；被测样品在三个不同波长下的共焦响应强度数据用于计算得到被测样品表面各个测量点的位移信息。
所述探测模块包括波长分光装置和探测器；
所述波长分光装置用于将线测量光束中的不同波长发送至探测器不同的探测区域，经所述探测器的三个不同探测区域得到的M个点的共焦强度响应值即为被测样品在三个不同波长下的线共焦响应强度数据。
所述波长分光装置包括：球面反射镜、光栅、球面聚焦镜，所述光栅、球面聚焦镜分别设置在球面反射镜两侧，从被测样品表面反射的线测量光束依次经色散物镜、光纤阵列耦合器后入射至所述球面反射镜，然后经球面反射镜反射后入射至所述光栅，经所述光栅反射后，各个波长的照明光束分开，然后经所述球面聚焦镜反射后入射到探测器的不同探测区域。
所述探测模块包括准直镜、第一二色分光镜、第二二色分光镜、第一会聚镜、第二会聚镜、第三会聚镜、第一线阵探测器、第二线阵探测器和第三线阵探测器；所述准直镜用于将通过第二光纤阵列法兰输出的线测量光束进行准直，准直后的光束依次通过第一二色分光镜、第二二色分光镜后将三个波长的线测量光束分开，分开后的三个线测量光束分别经过第一会聚镜、第二会聚镜、第三会聚镜会聚后分别入射到第一线阵探测器、第二线阵探测器和第三线阵探测器探测；
或者，所述探测模块包括准直镜、第一分光单元、第二分光单元、第一窄带滤波片、第二窄带滤波片、第三窄带滤波片、第一会聚镜、第二会聚镜、第三会聚镜、第一线阵探测器、第二线阵探测器和第三线阵探测器；所述准直镜用于将通过第二光纤阵列法兰输出的线测量光束进行准直，准直后的光束依次通过第一分光单元、第二分光单元后分为三束，然后分别经第一窄带滤波片、第二窄带滤波片、第三窄带滤波片进行滤波后分别入射到第一线阵探测器、第二线阵探测器和第三线阵探测器探测；
或者，所述探测模块包括光纤阵列波分复用器、第一光纤阵列探测器、第二光纤阵列探测器和第三光纤阵列探测器，所述光纤阵列波分复用器的输入端与所述第二光纤阵列法兰连接，三个阵列输出端分别连接第一光纤阵列探测器、第二光纤阵列探测器和第三光纤阵列探测器。
所述的三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置，还包括微处理器和时分驱动电路，所述微处理器用于控制时分驱动电路产生周期性脉冲信号，脉冲信号的上升沿激励驱动电路依次给三波长光源中波长为λ 1、λ 2、λ 3的子光源模块供电，使其在t 1、t 2、t 3三个不同的时刻，依次产生波长为λ 1、λ 2、λ 3的三个不同波长的照明光束；所述探测模块包括第一光纤线阵探测器。
所述色散物镜包括依次同轴设置的消色差透镜、凹透镜、第一凸透镜、第二凸透镜和第三凸透镜。
所述的三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置，还包括推进结构，所述推进机构用于沿垂直于线测量光束光轴以及线阵列的方向移动被测样品；
或者，所述推进机构用于移动所述探测装置。
所述光纤阵列耦合器为×光纤阵列耦合器，其包括照明光纤阵列端、耦合单元、公共光纤阵列端和探测光纤阵列端。
此外，本发明还提供了三波长光纤线阵列差分共焦显微探测方法，采用所述的一种三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置实现，包括以下步骤：
S1、标定：将标定样品设置在测量光束的光轴上，控制标定样品沿测量光束光轴方向移动，测量并记录标定样品沿测量光束光轴方向的位移值，以及各个位移值下标定样品在三个不同波长下的线共焦响应强度数据，然后对任意相邻波长下的线共焦响应强度数据进行差分处理得到第一和第二差分线共焦响应数据；构建位移值与第一和第二差分线共焦响应数据之间的对应关系，实现第一和第二差分线共焦响应数据与位移之间关系的标定；
S2、测量过程：将被测样品设置在测量光束的光轴上，测量并记录被测样品在三个不同波长下的线共焦响应强度数据，然后对任意相邻波长下的线共焦响应强度数据进行差分处理得到第一和第二差分线共焦响应数据；根据第一和第二差分线共焦响应值与位移之间的标定关系，得到被测样品在测量线上各个测量点的位移；
S3、垂直于光轴方向和线测量光束的方向移动被测样品，重复步骤S2，得到被测样品表面不同测量相交线上的点在沿测量光束光轴方向的位移信息，从而获得被测样品的形貌信息。
所述第一和第二差分线共焦响应数据的计算公式为：
[dI 21 1,dI 21 2,dI 21 3,…,dI 21 M ]=[(I 2 1–I 1 1)/(I 2 1+I 1 1),(I 2 2–I 1 2)/(I 2 2+I 1 2),(I 2 3–I 1 3)/(I 2 3+I 1 3),…,(I 2 M –I 1 M )/(I 2 M +I 1 M )]；[dI 32 1,dI 32 2,dI 32 3,…,dI 32 M ]=[(I 3 1–I 2 1)/(I 3 1+I 2 1),(I 3 2–I 2 2)/(I 3 2+I 2 2),(I 3 3–I 2 3)/(I 3 3+I 2 3),…,(I 3 M –I 2 M )/(I 3 M +I 2 M )]；
或：
[dI 21 1,dI 21 2,dI 21 3,…,dI 21 M ]=[(I 2 1–I 1 1),(I 2 2–I 1 2),(I 2 3–I 1 3),…,(I 2 M –I 1 M )]；[dI 32 1,dI 32 2,dI 32 3,…,dI 32 M ]=[(I 3 1–I 2 1),(I 3 2–I 2 2),(I 3 3–I 2 3),…,(I 3 M –I 2 M )]；
其中，dI 21 M 和dI 32 M 分别表示测量相交线上的第M个测量点对应的第一差分共焦响应值和第二差分共焦响应值。
1、本发明提供了一种三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置和方法，其属于非接触测量技术，其无需机械扫描，就能实现IC芯片、MEMS、磨削抛光等样品的精密测量；
2、本发明利用线共焦响应曲线中斜率较大的线性区域来替代传统线共焦中采用斜率为零的顶点区域来探测位移信息，使得灵敏度和测量精度都有显著提升，同时由于只需要光纤阵列光电探测器来测量三个照明波长下的线共焦响应强度值信号，具有信噪比高、测量速度快（可达100 KHz）等优点;
3、本发明中采用了同轴照明，聚焦光斑小，具有适应对象表面特性能力强等优点；
4、本发明中通过光纤阵列耦合器来过滤经样品反射的测量光束，具有结构简单、装配调整简单等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1中色散物镜4的结构示意图；
图3为本发明实施例2提供的一种三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置的结构示意图；
图4为本发明实施例3提供的一种三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置的结构示意图；
图5为本发明实施例4提供的一种三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置的结构示意图；
图6为本发明实施例5提供的一种三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置的结构示意图；
图7为本发明实施例6中得到的不同波长下线共焦响应强度值曲线；
图8为发明实施例6中两个相邻波长线差分共焦响应值与样品位移之间的关系曲线；
其中：1-三波长光源、101-第一单波长光纤阵列光源、102-第二单波长光纤阵列光源、103-第三单波长光纤阵列光源、104-光纤阵列合束器、2-光纤阵列耦合器、201-照明光纤阵列端，202-耦合单元、203-公共光纤阵列端，204-探测光纤阵列端、3-色散物镜、301-消色差透镜、302-凹透镜、303-第一凸透镜、304-第二凸透镜、305-第三凸透镜、4-被测样品、5-波长分光装置、501-球面反射镜、502-光栅、503-球面聚焦镜、504-准直镜、505-第一二色分光镜、506-第二二色分光镜、507-第二会聚镜、508-第二会聚镜、509-第三会聚镜、510-第一分光单元、511-第二分光单元、512-第一窄带滤波片、513-第二窄带滤波片、514-第三窄带滤波片、515-光纤阵列波分复用器、516-时分驱动电路、6-探测器、601-第一线阵探测器、602-第二线阵探测器、603-第三线阵探测器、604-第一光纤阵列探测器、605-第二光纤阵列探测器、606-第三光纤阵列探测器、7-第一光纤阵列法兰、8-微处理器、9-第二光纤阵列法兰。
具体实施方式
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的一部分实施例，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。
本发明基于三波长线共焦测量技术，利用色散物镜对狭缝照明光束聚焦形成共面测量线，并与被测样品表面接触形成测量相交线，同时利用波长分光装置将照射在被测样品表面测量交线上并经被测样品反射的测量光束分光送入探测器不同的探测区域，由探测器得到测量相交线上M个点在照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的线共焦响应强度数据，通过对测量相交线上同一个点在照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的线共焦响应强度数据进行差分处理，实现被测样品表面测量相交线上M个点沿测量光束光轴方向的位移信息。
实施例1
如图1所示，本发明实施例1提供了一种三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置，包括：三波长光源1、光纤阵列耦合器2、色散物镜3和探测模块；本实施例中，探测模块包括波长分光装置5和探测器6。
所述三波长光源1发出的包括三个不同波长λ 1、λ 2、λ 3的照明光束经第一光纤阵列法兰7后输入到所述光纤阵列耦合器2，然后经光纤阵列耦合器2输出入射到所述色散物镜3；所述色散物镜3对不同波长的光有不同的焦距，用于对光纤阵列耦合器2输出的线型阵列照明光束进行聚焦，形成三条共面的直线测量光束并照射在被测样品4表面上形成测量相交线；从被测样品4表面反射的直线测量光束经所述色散物镜3后沿原光路返回至光纤阵列耦合器2，依次经光纤阵列耦合器2和第二光纤阵列法兰9后入射至探测模块，经探测模块得到被测样品4在三个不同波长下的线共焦响应强度数据，分别记为[I 1 1, I 1 2, I 1 3,…, I 1 M ]、[I 2 1, I 2 2, I 2 3,…, I 2 M ]、[I 3 1, I 3 2, I 3 3,…, I 3 M ]，其中，M表示测量点，I 1 1 、 I 2 1 、I 3 1 ，I 1 2 、 I 2 2 、I 3 2 ，I 1 3 、 I 2 3 、I 3 3 分别表示三个不同波长λ 1、λ 2、λ 3下测量相交线上的第1,2,3个测量点的共焦强度响应值，I 1 M 、 I 2 M 、I 3 M 分别表示三个不同波长λ 1、λ 2、λ 3下测量相交线上的第M个测量点的共焦强度响应值；被测样品4在三个不同波长下的线共焦响应强度数据用于计算得到被测样品4表面各个测量点的位移信息。
进一步地，如图2所示，本实施例中，所述色散物镜4包括依次同轴设置的消色差透镜301（焦距21 mm、通光孔径5.2mm）、凹透镜302（焦距–13.2 mm、通光孔径15mm）、、第一凸透镜303（焦距21.8mm、通光孔径25.4mm）、第二凸透镜304（（焦距32.3 mm、通光孔径25.4mm）和第三凸透镜305（焦距31.8 mm、通光孔径22mm），色散物镜4的基本工作原理如下：消色差透镜301将三波长狭缝照明光束射出的光准直进入凹透镜302进行发散，然后被第一凸透镜303、第二凸透镜304、第三凸透镜305聚焦在光轴OA1上不同位置，如波长λ 1=450nm、λ 2=455nm、λ 3=460nm的光束聚焦在色散物镜4光轴16.5mm、16.505mm、16.510mm处，形成三条共面测量直线，记作L1、L2、L3；三条共面测量直线组成的测量面照射到被测样品4表面，与样品表面相交得到一条测量相交线，被测样品将照射在测量相交线的测量光束反射。
本实施例中，所述波长分光装置5用于将线测量光束中的不同波长发送至探测器6不同的探测区域，经所述探测器6的三个不同探测区域得到的M个点的共焦强度响应值即为被测样品在三个不同波长下的线共焦响应强度数据。
具体地，如图1所示，本实施例中，光纤阵列耦合器2包括照明光纤阵列端201、耦合单元202、成线状排布的公共光纤阵列端203、探测光纤阵列端204。三波长光源1包括单波长光纤阵列光源101、单波长光纤阵列光源102、单波长光纤阵列光源103、1×3光纤阵列合束器104。
具体地，如图1所示，本实施例中，所述波长分光装置5包括：球面反射镜501、光栅502、球面聚焦镜503，所述光栅502、球面聚焦镜503分别设置在球面反射镜501两侧，从被测样品4表面反射的测量光束返回色散物镜4后，依次经光纤阵列耦合器2、第二光纤阵列法兰9后入射至所述球面反射镜501，然后经球面反射镜501反射后入射至所述光栅502，经所述光栅502反射后，各个波长的照明光束分开，然后经所述球面聚焦镜503反射后入射到探测器6的不同探测区域。波长分光装置5的基本工作原理如下：球面反射镜501将从第二光纤阵列法兰9的测量光束准直，照射到光栅502上，光栅502将不同波长的光衍射偏折不同的角度照射到球面反射镜503上，球面反射镜503将不同波长的光聚焦到探测器6中不同区域。
进一步地，本实施例的一种三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置，还包括微处理器8，微处理器8用于接收探测器6的探测信号，即待测样品表面测量相交线上同一点在照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的线共焦响应强度数据并进行差分处理，进而获取被测样品表面测量相交线上M个点沿测量光束光轴OA1方向的位移信息。
具体地，本实施例中，探测器6包括能探测波长λ 1、λ 2、λ 3的直线测量光束强度的探测区域。
进一步地，本实施例中，波长分光装置5和探测器6也可以用光谱仪代替。
本实施例的工作原理如下：三波长光源1发出波长λ 1=450nm、λ 2=455nm、λ 3=460nm的照明光束，经第一光纤阵列法兰7、光纤阵列耦合器2进入色散物镜3；色散物镜4将波长λ 1=450nm、λ 2=455nm、λ 3=460nm的光聚焦在色散物镜4光轴16.5mm、16.505mm、16.510mm处，形成三条共面测量直线，记作L1、L2、L3；三条共面测量直线照射在被测样品4的表面上，得到一条测量相交线；被测样品4将照射在测量相交线上的测量光束反射，反射的线测量光束被色散物镜3收集，经光纤阵列耦合器2后从第二光纤阵列法兰9输出线测量光束，然后送入波长分光装置5；波长分光装置5将线测量光束中不同波长的光聚焦在探测器6的不同测量区域，形成测量线L1、L2、L3的像L1’、L2’、L3’；探测器6得到测量相交线上M个点在照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的线共焦响应强度数据，分别为[I 1 1, I 1 2, I 1 3,…, I 1 M ]、[I 2 1, I 2 2, I 2 3,…, I 2 M ]、[I 3 1, I 3 2, I 3 3,…, I 3 M ]；通过对被测样品表面测量相交线上同一点的相邻波长的线共焦响应强度数据进行差分处理得到第一和第二差分线共焦响应数据[dI 21 1,dI 21 2,dI 21 3,…, dI 21 M ]、[dI 32 1,dI 32 2,dI 32 3,…, dI 32 M ]；根据测量相交线上M个点所对应的第一和第二差分线共焦响应数据可以得到被测样品测量相交线上M个点沿测量光束光轴OA1方向的位移信息。当利用运动平台沿垂直于测量光束光轴OA1和被测样品表面测量相交线的方向移动三波长线差分共焦显微探测装置或被测样品，可以获取被测样品表面上不同测量相交线上点在沿测量光束光轴OA1方向的位移信息，进而重构样品表面轮廓或形貌。
实施例2
本发明实施例2提供了一种三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置，与实施例1不同的是，本实施例中的探测模块的结构不同，其基于二色分光镜实现三波长测量光束的分离。
如图3所示，本实施例中，所述波长分光模块5包括准直镜504、第一二色分光镜505、第二二色分光镜506、第一会聚镜507、第二会聚镜508、第三会聚镜509，探测器6包括第一线阵探测器601、第二线阵探测器602和第三线阵探测器603；所述准直镜504用于将通过第二光纤阵列法兰9输出的线测量光束进行准直，准直后的光束依次通过第一二色分光镜505、第二二色分光镜506后将三个波长的线测量光束分开，分开后的三个线测量光束分别经过第一会聚镜507、第二会聚镜508、第三会聚镜509会聚后分别入射到第一线阵探测器601、第二线阵探测器602和第三线阵探测器603探测，最终得到三个不同照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的线共焦响应强度数据。
其工作原理如下：首先，准直镜504将从探测光纤阵列端204出射的测量光束准直，送入第一二色分光镜505；第二二色分光镜505将波长λ 1、λ 2和大于λ 2的光束区分开，分别送入到第二二色分光镜506和第三会聚镜509；二色分光镜506将波长λ 1和λ 2的光束区分开，分别通过第一会聚镜507和第二508聚焦到第一线阵探测器601和第二线阵探测器602；大于λ 2的光束经第三会聚镜509聚焦在第三线阵探测器603上；最终，探测器6（包括第一线阵探测器601、第二线阵探测器602和第三线阵探测器603得到被测样品表面测量相交线上全部M个点在照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的线共焦响应强度数据，分别为[I 1 1, I 1 2, I 1 3,…, I 1 M ]、[I 2 1, I 2 2, I 2 3,…, I 2 M ]、[I 3 1, I 3 2, I 3 3,…, I 3 M ]。
实施例3
本发明实施例4提供了一种三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置，与实施例1不同的是，本实施例中的探测模块的结构不同，其基于窄带滤波片实现三波长测量光束的分离。
如图4所示，本实施例中，所述波长分光装置包括准直镜504、第一分光单元510、第二分光单元511、第一窄带滤波片512、第二窄带滤波片513、第三窄带滤波片514、第一会聚镜507、第二会聚镜508、第三会聚镜509、第一线阵探测器601、第二线阵探测器602和第三线阵探测器603；所述准直镜504用于将通过第二光纤阵列法兰9输出的线测量光束进行准直，准直后的线测量光束依次通过第一分光单元510、第二分光单元511后分为三束，然后分别经第一窄带滤波片512、第二窄带滤波片513、第三窄带滤波片514进行滤波后分别入射到第一线阵探测器601、第二线阵探测器602和第三线阵探测器603探测，最终得到三个不同照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的线共焦响应强度数据。
其基本工作原理如下：首先，准直镜504将从探测光纤阵列端204出射的测量光束准直，送入分光镜510；分光镜510将光束分光分别送入分光镜511和窄带滤波片514；进入分光镜511的光束被分成两束光，分别通过仅能通过波长λ 1的窄带滤波片512和仅能通过波长λ 2的窄带滤波片513，被会聚镜507和508分别聚焦在线阵探测器601和602；透过窄带滤波片514的光束被会聚镜509聚焦在线阵探测器603上；最终，探测器6（包括线阵探测器601、602、603）得到被测样品表面测量相交线上全部M个点在照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的光纤线阵列共焦响应强度数据，分别为[I 1 1, I 1 2, I 1 3,…, I 1 M ]、[I 2 1, I 2 2, I 2 3,…, I 2 M ]、[I 3 1, I 3 2, I 3 3,…, I 3 M ]。
实施例4
如图5所示，本发明实施例4提供了一种三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置，包括三波长光源1、光纤阵列耦合器2、色散物镜3、光纤阵列波分复用器515和探测器6，第一光纤阵列法兰7、微处理器8和第二光纤阵列法兰9。
与实施例1相同的是，本实施例中，三波长光源1包括单波长光纤阵列光源101、单波长光纤阵列光源102、单波长光纤阵列光源103、1×3光纤阵列合束器104。光纤阵列耦合器2包括照明光纤阵列端201、耦合单元202、成线状排布的公共光纤阵列端203、探测光纤阵列端204。
与实施例1不同的是，本实施例中的探测模块的结构不同，其基于光纤阵列波分复用器实现三波长线测量光束的分离。具体地，本实施例中，波长分光装置5光纤阵列波分复用器515，探测器6包括第一光纤阵列探测器604、第二光纤阵列探测器605和第三光纤阵列探测器606。
其基本工作原理如下：由第一单波长光纤阵列光源101、第二单波长光纤阵列光源102、第三单波长光纤阵列光源103以及光纤阵列合束器104等组成的三波长光源1发出波长λ 1、λ 2、λ 3的照明光束，经第一光纤阵列法兰7和照明光纤阵列端201进入光纤阵列耦合器2；光纤阵列耦合器2将三波长照明光束通过耦合单元202作用送至公共光纤阵列端203形成狭缝照明光束出射，进入色散物镜3；色散物镜3将从公共光纤阵列端203出射三波长狭缝照明光束中不同波长的光聚焦在色散物镜光轴OA1上不同位置，形成三条垂直于光轴的共面测量直线，记作L1、L2、L3；由色散物镜3聚焦形成的三条共面测量直线，照射在测量样品4表面，与样品4表面相交得到一条测量相交线；照射在被测样品4测量相交线上的测量光束被样品4表面反射，沿原光路返回，被色散物镜3收集，由公共光纤阵列端203过滤进入光纤阵列耦合器2；光纤阵列耦合器2将反射的测量光束经耦合单元202送至探测光纤阵列端204，然后经第二光纤阵列法兰9进入光纤阵列波分复用器515；光纤阵列波分复用器515将测量光束中不同波长的光送至探测器6中不同探测区域，由第一光纤阵列探测器604、第二光纤阵列探测器605和第三光纤阵列探测器606得到被测样品表面测量相交线上全部M个点在照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的光纤线阵列共焦响应强度数据，分别为[I 1 1, I 1 2, I 1 3,…, I 1 M ]、[I 2 1, I 2 2, I 2 3,…, I 2 M ]、[I 3 1, I 3 2, I 3 3,…, I 3 M ]；微处理器8通过对测量相交线上同一点任意相邻波长的光纤线阵列共焦响应强度数据进行差分处理得到两个相邻波长光纤线阵列差分共焦响应数据[dI 21 1,dI 21 2,dI 21 3,…, dI 21 M ]、[dI 32 1,dI 32 2,dI 32 3,…, dI 32 M ]，并根据两个相邻波长光纤线阵列差分共焦响应数据[dI 21 1,dI 21 2,dI 21 3,…, dI 21 M ]、[dI 32 1,dI 32 2,dI 32 3,…, dI 32 M ]与样品位移之间的精确标定关系，获取样品表面5测量相交线上全部M个点沿测量光束光轴OA1方向的位移信息。
实施例5
如图6所示，本发明实施例5提供了一种三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置，包括三波长光源1、光纤阵列耦合器2、色散物镜3、时分驱动电路516、光纤阵列波分复用器515和第一阵列探测器605，第一光纤阵列法兰7、微处理器8和第二光纤阵列法兰9。
与实施例1相同的是，本实施例中，三波长光源1包括第一单波长光纤阵列光源101、第二单波长光纤阵列光源102、第三单波长光纤阵列光源103、1×3光纤阵列合束器104。光纤阵列耦合器2包括照明光纤阵列端201、耦合单元202、成线状排布的公共光纤阵列端203、探测光纤阵列端204。
与实施例1不同的是，本实施例中的探测模块的结构不同，其基于时分驱动电路516实现三波长线测量光束的分离。具体地，本实施例中，波长分光装置5具体为时分驱动电路516，探测器6包括第一光纤阵列探测器604。
本实施例的工作原理如下：由第一单波长光纤阵列光源101、第二单波长光纤阵列光源102、第三单波长光纤阵列光源103、1×3光纤阵列合束器104组成的三波长光源1可以发出三个波长分别为λ 1、λ 2、λ 3的照明光束；微处理器8控制时分驱动电路516发出周期性脉冲信号，脉冲信号的上升沿激励驱动电路依次给第一单波长光纤阵列光源101、第二单波长光纤阵列光源102、第三单波长光纤阵列光源103对应的子模块供电，在t 1、t 2、t 3三个不同的时刻，依次发生波长为λ 1、λ 2、λ 3的照明光束，然后依次经光纤阵列合束器104、第一光纤阵列法兰7和照明光纤阵列端201进入光纤阵列耦合器2；光纤阵列耦合器2将三波长照明光束经耦合单元202发送至公共光纤阵列端203形成狭缝照明光束出射，出射光束入射至色散物镜3；色散物镜3将由公共光纤阵列端203出射的三波长狭缝照明光束中不同波长的光聚焦在色散物镜光轴OA1上不同位置处，形成三条垂直于光轴的共面测量直线，记作L1、L2、L3；由色散物镜3聚焦形成的三条共面测量直线，照射在待测样品4表面，与待测样品4表面相交得到一条测量相交线；照射在待测样品4测量相交线上的测量光束被待测样品4的表面反射，沿原光路返回，被色散物镜3收集，然后由公共光纤阵列端203过滤进入光纤阵列耦合器2；光纤阵列耦合器2将反射的测量光束经耦合单元202作用后送至探测光纤阵列端204，通过第二光纤阵列法兰9送入第一光纤阵列探测器604，在t 1、t 2、t 3时刻从样品表面反射的线测量光束依次被探测器604接收，得到测量相交线上全部M个点在照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的光纤线阵列共焦响应强度数据，分别为[I 1 1, I 1 2, I 1 3,…, I 1 M ]、[I 2 1, I 2 2, I 2 3,…, I 2 M ]、[I 3 1, I 3 2, I 3 3,…, I 3 M ]；微处理器8通过对测量相交线上同一点任意相邻波长的光纤线阵列共焦响应强度数据进行差分处理得到两个相邻波长光纤线阵列差分共焦响应数据[dI 21 1,dI 21 2,dI 21 3,…, dI 21 M ]、[dI 32 1,dI 32 2,dI 32 3,…, dI 32 M ]，并根据两个相邻波长光纤线阵列差分共焦响应数据[dI 21 1,dI 21 2,dI 21 3,…, dI 21 M ]、[dI 32 1,dI 32 2,dI 32 3,…, dI 32 M ]与样品位移之间的精确标定关系，获取样品表面4测量相交线上全部M个点沿测量光束光轴OA1方向的位移信息。
实施例6
本实施例提供了一种三波长点差分共焦显微探测方法，其基于实施例1~6中的任意一种探测装置实现，本实施例中，样品沿测量光束方向的位移信息获取有赖于构建两个相邻波长差分共焦响应值dI 21、dI 32与被测样品位移之间的标定关系。由于各个探测装置中，色散物镜4、波长分光装置5、探测器6等器件均存在非均匀光谱响应特性，使得两个相邻波长差分共焦响应值与被测样品位移之间的关系会偏离理论设计，因此本实施例通过实际测试来精确构建两个相邻波长差分共焦响应值dI 21、dI 32与被测样品位移之间的标定关系。具体地，本实施例包括以下步骤：
S1、标定：将标定样品设置在测量光束的光轴上，控制标定样品沿测量光束光轴方向移动，测量并记录标定样品沿测量光束光轴方向的位移值，以及各个位移值下标定样品在三个不同波长下的线共焦响应强度数据，然后对两个相邻波长进行差分处理得到第一和第二差分线共焦响应数据；构建位移值与第一和第二线差分共焦响应数据之间的对应关系，实现第一和第二线差分共焦响应数据与位移之间关系的标定。
具体地，本实施例中，精确控制标定样品沿测量光束测量方向移动，如z 1=0、z 2=0.1μm、z 3=0.3 μm、…、z M =10μm，并同时由探测器8采集得到不同位移时在照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的线共焦响应强度数据[I 1 1, I 1 2, I 1 3,…, I 1 M ]、[I 2 1, I 2 2, I 2 3,…, I 2 M ]、[I 3 1, I 3 2, I 3 3,…, I 3 M ]，对于同一个测量点，照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度曲线，如图7所示；通过对同一测量点的相同位移时任意相邻波长下的共焦响应强度值做差分处理，得到两个相邻波长差分共焦响应值dI 21、dI 32与被测样品位移之间的关系曲线，如图8所示，可以实现两个相邻波长差分共焦响应值dI 21、dI 32与样品测量点对应的位移之间关系的标定。
S2、测量过程：将被测样品4设置在测量光束的光轴上，测量并记录照明光束波长λ 1、λ 2、λ 3下各个测量点的共焦响应强度值，然后对两个相邻波长进行差分处理得到第一和第二差分共焦响应数据；根据步骤S1得到的各个测量点的第一和第二差分共焦响应数据与位移之间的标定关系，得到被测样品的测量点的位移；
具体地，本实施例中，三个波长的线测量光束在光轴OA1上形成三个形成三条共面测量直线L1、L2、L3。被测样品和标定样品的位置应处于位于两侧的L1和L3之间。
S3、沿垂直于线测量光束和光轴的方向移动被测样品4，重复步骤S2，得到被测样品4表面不同测量相交线上的点在沿测量光束光轴方向上的位移信息，从而获得被测样品的形貌信息。
具体地，本实施例中，第一和第二差分线共焦响应数据的计算公式为：
[dI 21 1,dI 21 2,dI 21 3,…,dI 21 M ]
=[(I 2 1–I 1 1)/(I 2 1+I 1 1),(I 2 2–I 1 2)/(I 2 2+I 1 2),(I 2 3–I 1 3)/(I 2 3+I 1 3),…,(I 2 M –I 1 M )/(I 2 M +I 1 M )]；（1）
[dI 32 1,dI 32 2,dI 32 3,…,dI 32 M ]
=[(I 3 1–I 2 1)/(I 3 1+I 2 1),(I 3 2–I 2 2)/(I 3 2+I 2 2),(I 3 3–I 2 3)/(I 3 3+I 2 3),…,(I 3 M –I 2 M )/(I 3 M +I 2 M )]；（2）
或：
[dI 21 1,dI 21 2,dI 21 3,…,dI 21 M ]=[(I 2 1–I 1 1),(I 2 2–I 1 2),(I 2 3–I 1 3),…,(I 2 M –I 1 M )]；（3）
[dI 32 1,dI 32 2,dI 32 3,…,dI 32 M ]=[(I 3 1–I 2 1),(I 3 2–I 2 2),(I 3 3–I 2 3),…,(I 3 M –I 2 M )]；（4）
其中，[dI 21 1,dI 21 2,dI 21 3,…,dI 21 M ]表示第一差分线共焦响应数据，[dI 32 1,dI 32 2,dI 32 3,…,dI 32 M ]表示第二差分线共焦响应数据，dI 21 M 和dI 32 M 分别表示测量相交线上的第M个测量点对应的第一差分共焦响应值和第二差分共焦响应值。具体地，本实施例中，在不同的标定位移下，可以得到一系列的2个差分共焦响应值；在实施过程中，可以先构建位移与这2个差分共焦响应值的映射关系；在测量的时候，根据映射关系和测量得到的2个差分共焦响应值得到位移值。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置，其特征在于，包括：三波长光源（1）、光纤阵列耦合器（2）、色散物镜（3）和探测模块；
所述三波长光源（1）发出的包括三个不同波长的照明光束经第一光纤阵列法兰（7）后输入到所述光纤阵列耦合器（2），然后经光纤阵列耦合器（2）输出入射到所述色散物镜（3）；所述色散物镜（3）对不同波长的光有不同的焦距，用于对光纤阵列耦合器（2）输出的线型阵列照明光束进行聚焦，形成三条共面的线测量光束并照射在被测样品（4）表面上形成测量相交线；从被测样品（4）表面反射的直线测量光束经所述色散物镜（3）后沿原光路返回至光纤阵列耦合器（2），依次经光纤阵列耦合器（2）和第二光纤阵列法兰（9）后入射至探测模块，经探测模块得到被测样品（4）在三个不同波长下的线共焦响应强度数据，分别记为[I 1 1, I 1 2, I 1 3,…, I 1 M ]、[I 2 1, I 2 2, I 2 3,…, I 2 M ]、[I 3 1, I 3 2, I 3 3,…, I 3 M ]，其中，I 1 M 、 I 2 M 、I 3 M 分别表示测量相交线上的第M个测量点在三个不同波长下的共焦响应值；被测样品（4）在三个不同波长下的共焦响应强度数据用于计算得到被测样品（4）表面各个测量点的位移信息。
2.根据权利要求1所述的三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置，其特征在于，所述探测模块包括波长分光装置（5）和探测器（6）；
所述波长分光装置（5）用于将线测量光束中的不同波长发送至探测器（6）不同的探测区域，经所述探测器（6）的三个不同探测区域得到的M个点的共焦强度响应值即为被测样品（4）在三个不同波长下的线共焦响应强度数据。
3.根据权利要求2所述的三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置，其特征在于，所述波长分光装置（5）包括：球面反射镜（501）、光栅（502）、球面聚焦镜（503），所述光栅（502）、球面聚焦镜（503）分别设置在球面反射镜（501）两侧，从被测样品（4）表面反射的线测量光束依次经色散物镜（3）、光纤阵列耦合器（2）后入射至所述球面反射镜（501），然后经球面反射镜（501）反射后入射至所述光栅（502），经所述光栅（502）反射后，各个波长的照明光束分开，然后经所述球面聚焦镜（503）反射后入射到探测器（6）的不同探测区域。
4.根据权利要求1所述的三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置，其特征在于，所述探测模块包括准直镜（504）、第一二色分光镜（505）、第二二色分光镜（506）、第一会聚镜（507）、第二会聚镜（508）、第三会聚镜（509）、第一线阵探测器（601）、第二线阵探测器（602）和第三线阵探测器（603）；所述准直镜（504）用于将通过第二光纤阵列法兰（7）输出的线测量光束进行准直，准直后的光束依次通过第一二色分光镜（505）、第二二色分光镜（506）后将三个波长的线测量光束分开，分开后的三个线测量光束分别经过第一会聚镜（507）、第二会聚镜（508）、第三会聚镜（509）会聚后分别入射到第一线阵探测器（601）、第二线阵探测器（602）和第三线阵探测器（603）探测；
或者，所述探测模块包括准直镜（504）、第一分光单元（510）、第二分光单元（511）、第一窄带滤波片（512）、第二窄带滤波片（513）、第三窄带滤波片（514）、第一会聚镜（507）、第二会聚镜（508）、第三会聚镜（509）、第一线阵探测器（601）、第二线阵探测器（602）和第三线阵探测器（603）；所述准直镜（504）用于将通过第二光纤阵列法兰（9）输出的线测量光束进行准直，准直后的光束依次通过第一分光单元（510）、第二分光单元（511）后分为三束，然后分别经第一窄带滤波片（512）、第二窄带滤波片（513）、第三窄带滤波片（514）进行滤波后分别入射到第一线阵探测器（601）、第二线阵探测器（602）和第三线阵探测器（603）探测；
或者，所述探测模块包括光纤阵列波分复用器（515）、第一光纤阵列探测器（604）、第二光纤阵列探测器（605）和第三光纤阵列探测器（606），所述光纤阵列波分复用器（515）的输入端与所述第二光纤阵列法兰（9）连接，三个阵列输出端分别连接第一光纤阵列探测器（604）、第二光纤阵列探测器（605）和第三光纤阵列探测器（606）。
5.根据权利要求1所述的三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置，其特征在于，还包括微处理器（8）和时分驱动电路（516），所述微处理器（8）用于控制时分驱动电路（516）产生周期性脉冲信号，脉冲信号的上升沿激励驱动电路依次给三波长光源（1）中波长为λ 1、λ 2、λ 3的子光源模块供电，使其在t 1、t 2、t 3三个不同的时刻，依次产生波长为λ 1、λ 2、λ 3的三个不同波长的照明光束；
所述探测模块包括第一光纤线阵探测器（604）。
6.根据权利要求1所述的三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置，其特征在于，所述色散物镜（3）包括依次同轴设置的消色差透镜（301）、凹透镜（302）、第一凸透镜（303）、第二凸透镜（304）和第三凸透镜（305）。
7.根据权利要求1所述的三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置，其特征在于，还包括推进结构，所述推进机构用于沿垂直于线测量光束光轴以及线阵列的方向移动被测样品（4）；
或者，所述推进机构用于移动所述探测装置。
8.根据权利要求1所述的三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置，其特征在于，所述光纤阵列耦合器（2）为1×2光纤阵列耦合器，其包括照明光纤阵列端（201）、耦合单元（202）、公共光纤阵列端（203）和探测光纤阵列端（204）。
9.三波长光纤线阵列差分共焦显微探测方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种三波长光纤线阵列差分共焦显微探测装置实现，包括以下步骤：
S1、标定：将标定样品设置在测量光束的光轴上，控制标定样品沿测量光束光轴方向移动，测量并记录标定样品沿测量光束光轴方向的位移值，以及各个位移值下标定样品在三个不同波长下的线共焦响应强度数据，然后对任意相邻波长下的线共焦响应强度数据进行差分处理得到第一和第二差分线共焦响应数据；构建位移值与第一和第二差分线共焦响应数据之间的对应关系，实现第一和第二差分线共焦响应数据与位移之间关系的标定；
S2、测量过程：将被测样品（4）设置在测量光束的光轴上，测量并记录被测样品（4）在三个不同波长下的线共焦响应强度数据，然后对任意相邻波长下的线共焦响应强度数据进行差分处理得到第一和第二差分线共焦响应数据；根据第一和第二差分线共焦响应值与位移之间的标定关系，得到被测样品在测量线上各个测量点的位移；
S3、垂直于光轴方向和线测量光束的方向移动被测样品（4），重复步骤S2，得到被测样品（4）表面不同测量相交线上的点在沿测量光束光轴方向的位移信息，从而获得被测样品（4）的形貌信息。
10.根据权利要求9所述的三波长光纤线阵列差分共焦显微探测方法，其特征在于，所述第一和第二差分线共焦响应数据的计算公式为：
[dI 21 1,dI 21 2,dI 21 3,…,dI 21 M ]=[(I 2 1–I 1 1)/(I 2 1+I 1 1),(I 2 2–I 1 2)/(I 2 2+I 1 2),(I 2 3–I 1 3)/(I 2 3+I 1 3),…,(I 2 M –I 1 M )/(I 2 M +I 1 M )]；[dI 32 1,dI 32 2,dI 32 3,…,dI 32 M ]=[(I 3 1–I 2 1)/(I 3 1+I 2 1),(I 3 2–I 2 2)/(I 3 2+I 2 2),(I 3 3–I 2 3)/(I 3 3+I 2 3),…,(I 3 M –I 2 M )/(I 3 M +I 2 M )]；
或：
[dI 21 1,dI 21 2,dI 21 3,…,dI 21 M ]=[(I 2 1–I 1 1),(I 2 2–I 1 2),(I 2 3–I 1 3),…,(I 2 M –I 1 M )]；[dI 32 1,dI 32 2,dI 32 3,…,dI 32 M ]=[(I 3 1–I 2 1),(I 3 2–I 2 2),(I 3 3–I 2 3),…,(I 3 M –I 2 M )]；
其中，dI 21 M 和dI 32 M 分别表示测量相交线上的第M个测量点对应的第一差分共焦响应值和第二差分共焦响应值。
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