CN114001647A - 三波长点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，公开了一种三波长点差分共焦显微探测方法与装置，装置包括三波长光源、照明针孔、分光镜、色散物镜、探测针孔和探测模块；三波长光源发出的三个波长的照明光束依次经照明针孔和分光镜后入射到色散物镜；色散物镜用于将各个波长的光聚焦在色散物镜光轴上的不同位置处，形成测量光束照射在被测样品表面上；从被测样品表面反射的测量光束经色散物镜沿原光路返回至分光镜，经分光镜后经探测针孔入射至探测模块，得到照明光束在各个波长下的共焦响应强度值，共焦响应强度值用于计算得到被测样品表面的位移信息。本发明具有信噪比高、测量速度快、结构简单、装配调整简单等优点。
Description
技术领域
本发明属于光学成像与检测技术领域，具体涉及三波长点差分共焦显微探测方法与装置，可用于集成电路、MEMS器件、微镜阵列、微流体器件等各类微纳精密样品的表面形貌高速高精度测量。
背景技术
共焦显微镜由美国人Marvin Minsky于1957年发明，其基本原理是将点光源、物体、点探测器置于彼此共轭的位置，上述共轭设计使得共焦显微镜具有轴向层析能力，能满足各种微纳结构的表面形貌测量。但是，传统共焦显微镜在实现轴向层析测量的过程中，需要控制运动装置如电机或压电陶瓷沿着物镜光轴方向精确移动显微物镜或被测样品，由探测器采集运动装置处于不同位移处时的共焦响应强度，即得到共焦显微镜的共焦响应强度曲线，通过对采集的共焦响应强度曲线数据进行峰值提取等操作处理获取被测样品表面的形貌信息。但是，机械装置的轴向扫描速度和精度都较低，导致共焦显微镜的测量速度慢、测量精度受限。
为了提高传统共焦显微镜的测量速度和测量精度，发明专利CN 109307481 A《高速传感共焦显微测量方法》中精确控制运动装置以较大的采样间隔移动，由探测器得到运动装置处于不同位移处的共焦响应强度，通过对最大强度两侧的强度值做差分处理，快速高精度地获取被测样品的表面形貌。虽然，上述方法能显著降低运动装置的轴向扫描次数，但是仍然需要数次轴向扫描，限制了测量速度和测量精度的进一步提高。发表在《OpticsLetters》上的文献《Locally adaptive thresholding centroid localization inconfocal microscopy》中提出了一种变阈值的峰值提取算法，能对大采样间隔下共焦响应强度曲线数据进行高精度处理，显著地提高了共焦显微测量速度和精度。但是，上述方法与专利 CN 109307481 A的问题类似，即仍需要精密的运转装置扫描，无法进一步提高共焦显微测量速度和精度。发表在《Optics Express》上的文献《Real-time laser differentialconfocal microscopy without sample reflectivity effects》通过使用两个点探测器，其中一个点探测器放置在与点光源共轭位置前一个微小间隔处，另一个点探测器放置于与点光源共轭位置后相等的微小间隔处，通过对两个点探测器采集的共焦响应曲线强度值做差分操作，快速高精度地得到被测样品的表面形貌。但是，在构建共焦显微测量系统时，上述方法存在如下不足：其一、单一点探测器与点光源共轭的光路调整过程较为复杂，而上述方法中的双点探测器设计将使得光路调整更加复杂；其二、两个的点探测器沿测量光束光轴方向的位移偏置需要控制在微米量级，对机械装配件的加工精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左右，无法满足纵向大量程复杂曲面微纳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：提供一种三波长点差分共焦显微探测方法与装置，以提高测量速度和测量精度。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：三波长点差分共焦显微探测装置，其特征在于，包括：三波长光源、照明针孔、分束镜、色散物镜、探测针孔和探测模块；
所述三波长光源发出波长λ 1、λ 2、λ 3的三波长照明光束，所述三波长照明光束依次经所述照明针孔和分束镜后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，用于将各个波长的光聚焦在色散物镜光轴上的不同位置处，形成测量光束照射在被测样品表面上；从被测样品表面反射的三波长测量光束经所述色散物镜后沿原光路返回至分束镜，依次经所述分束镜和探测针孔后入射至探测模块，经探测模块得到被测样品在波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值I 1、I 2、I 3，所述探测针孔与所述照明针孔共轭设置，共焦响应强度值I、I、I用于计算得到被测样品表面的位移信息。
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三波长测量光束中的不同波长的光送至探测器不同的探测区域，经所述探测器的不同探测区域得到对应的光强值，即测量装置在照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值I 1、I 2、I 3。
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测量光束依次经色散物镜、分束镜、探测针孔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，三波长照明光束中不同波长的光分开，然后经所述球面聚焦镜聚焦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、第二二色分光镜和三个探测单元；所述准直镜用于将通过探测针孔的三波长测量光束进行准直，准直后的三波长测量光束依次通过第一二色分光镜、第二二色分光镜后将三波长测量光束中三个波长的光分开，每个所述探测单元分别用于探测其中一个波长光的强度；
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、三个窄带滤波片和三个探测单元；所述准直镜用于将通过探测针孔的三波次测量光束进行准直，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，然后每束光经一个窄带滤波片后入射到其中一个探测单元，每个所述探测单元分别用于探测其中一个波长光的强度；
或者，所述探测模块包括波分复用器和三个探测单元；
或者，所述探测模块为光谱仪。
所述的三波长点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λ 1、λ 2、λ 3的子光源模块供电，在t 1、t 2、t 3时刻，依次产生波长为λ 1、λ 2、λ 3的单波长照明光束；
所述探测模块为单探测器。
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。
所述的三波长点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测量光束的光轴方向移动被测样品；
或者，所述推进机构用于移动所述探测装置。
本发明还提供了三波长点差分共焦显微探测方法，采用所述的一种三波长点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波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值，然后对任意相邻波长下的共焦响应强度值进行差分处理得到第一和第二两个相邻波长差分共焦响应值；构建位移值与第一和第二两个相邻波长差分共焦响应值之间的对应关系，实现第一和第二两个相邻波长差分共焦响应值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波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值，然后对任意相邻波长下的共焦响应强度值进行差分处理得到第一和第二两个相邻波长差分共焦响应值；根据第一和第二两个相邻波长差分共焦响应值与位移之间的标定关系，得到被测样品的位移；
S3、沿垂直于测量光束的光轴的方向移动被测样品，重复步骤S2，得到被测样品（5）表面不同位置处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。
所述第一和第二两个相邻波长差分共焦响应值的计算公式为：
dI 21=(I 2–I 1)/(I 2+I 1)、dI 32=(I 3–I 2)/(I 3+I 2)；
或dI 21=(I 2–I 1)、dI 32=(I 3–I 2)；
其中，dI 21和dI 32分别表示第一相邻波长差分共焦响应值和第二相邻波长差分共焦响应值，I 1、I 2、I 3分别表示测量装置在照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值。
所述步骤S3的具体步骤为：
沿垂直于测量光束的光轴的方向一维移动被测样品，重复步骤S2，得到被测样品表面一条直线上不同位置处沿测量光束光轴方向的位移信息，从而获得被测样品的轮廓和粗糙度信息；
或者为：
沿垂直于测量光束的光轴的方向二维移动被测样品，重复步骤S2，得到被测样品表面不同位置处沿测量光束光轴方向的位移信息，从而获得被测样品的三维形貌信息。
一方面，本发明提供了一种三波长点差分共焦显微探测方法，其中：三波长光源发出波长λ 1、λ 2、λ 3的三波长照明光束，所述照明光束通过照明针孔和分光镜后进入色散物镜；所述色散物镜对不同波长的光有不同的焦距，将不同波长的光聚焦在所述色散物镜光轴上不同位置处；通过所述色散物镜的光束聚焦形成测量光束，照射在被测样品表面上；被测样品表面将聚焦在其上的测量光束反射，反射的光束经所述色散物镜沿原光路返回，由所述分光镜反射后通过探测针孔；通过所述探测针孔的光束经波长分光装置，使得不同波长的光进入不同的探测区域，从而由探测器探测得到照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值I 1、I 2、I 3；通过将任意相邻波长的共焦强度响应值进行差分处理得到第一和第二相邻波长差分共焦响应值dI 21、dI 32；根据所述两个相邻波长差分共焦响应值dI 21、dI 32的大小确定被测样品表面在测量光束光轴方向上的位移信息。
另一方面，本发明提供了一种三波长点差分共焦显微探测装置，包括三波长光源、照明针孔、分光镜、色散物镜、探测针孔、波长分光装置、探测器；所述三波长光源发出波长λ 1、λ 2、λ 3的三波长照明光束，所述照明光束通过所述照明针孔和所述分光镜进入所述色散物镜；所述色散物镜对不同波长的光有不同的焦距，将不同波长的光聚焦在所述色散物镜光轴上不同位置处，形成测量光束照射在被测样品表面上；被测样品表面将聚焦在其上的测量光束反射，反射的光束经所述色散物镜沿原光路返回；所述分光镜将经被测样品反射的测量光束反射送入所述探测针孔；所述探测针孔对经样品反射的测量光束过滤，送入所述波长分光装置；所述波长分光装置使得测量光束的不同波长进入探测器不同的探测区域；所述探测器得到不同探测区域内波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值I 1、I 2、I 3。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1. 本发明中三波长点差分共焦显微探测方法无需机械扫描，能显著地简化结构。
2.本发明中三波长点差分共焦显微测量技术利用共焦响应曲线中斜率较大的线性区域来替代传统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；
3.本发明只需要普通的光电探测器来测量照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值信号，具有信噪比高、测量速度快等优点。
4.本发明中只需要一个探测针孔来收集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中提供的一种三波长点差分共焦显微探测装置的示意图；
图2为本发明实施例1中色散物镜的光路结构图；
图3为本发明实施例2提供的一种三波长点差分共焦显微探测方法中不同波长下共焦响应强度值与样品位移之间的关系曲线；
图4为发明实施例2中相邻波长差分共焦响应值与样品位移之间的关系曲线；
图5为本发明实施例3中的波长分光装置和探测器的示意图；
图6为本发明实施例4中的波长分光装置和探测器的示意图；
图7为本发明实施例5提供的三波长点差分共焦显微探测装置的示意图；
图8为本发明实施例6提供的三波长点差分共焦显微探测装置的示意图；
图9为本发明实施例7提供的三波长点差分共焦显微探测装置的示意图；
其中：1-三波长光源、101-第一单波长光纤光源、102-第二单波长光纤光源、103-第三单波长光纤光源、104-光纤合束器、2-照明针孔、3-分束镜、301-光纤耦合器、4-色散物镜、401-消色差透镜、402-凹透镜、403-第一凸透镜、404-第二凸透镜、405-第三凸透镜、5-被测样品、6-探测针孔、7-波长分光装置、701-球面反射镜、702-光栅、703-球面聚焦镜、704-准直镜、705-第一二色分光镜、706-第二二色分光镜、707-第一分光单元、708-第二分光单元、709-窄带滤光片、712-时分驱动电路、713-波分复用器、8-探测器、801-探测单元、804-光纤探测器、9-微处理器。
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。
实施例1
如图1所示，本发明实施例1提供了一种三波长点差分共焦显微探测装置，包括：三波长光源1、照明针孔2、分束镜3、色散物镜4、探测针孔6、波长分光装置7和探测器8。
所述三波长光源1发出波长λ 1、λ 2、λ 3的三波长照明光束，所述三波长照明光束依次经所述照明针孔2和分束镜3后入射到所述色散物镜4；所述色散物镜4对不同波长的光有不同的焦距，用于将各个波长的光聚焦在色散物镜4光轴上的不同位置处，形成测量光束照射在被测样品5表面上；从被测样品5表面反射的三波长测量光束经所述色散物镜4沿原光路返回至分束镜3，经所述分束镜3反射后经探测针孔6入射至波长分光装置7，经波长分光装置7后测量光束中不同波长的光，会入射到探测器8的不同探测区域，从而得到被测样品在波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值I 1、I 2、I 3，所述探测针孔6与所述照明针孔2共轭设置，共焦响应强度值I 1、I 2、I 3用于计算得到被测样品5表面的位移信息。
本实施例中，所述波长分光装置7用于将三波长测量光束中不同波长的光送至探测器8不同的探测区域，经所述探测器8的不同探测区域得到的光强值即为被测样品在波长分别为λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值I 1、I 2、I 3。
进一步地，本实施例的一种三波长点差分共焦显微探测装置，还包括微处理器9，本实施例中，微处理器9用于处理探测器接收的探测信号，即被测样品在波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值I 1、I 2、I 3，并根据共焦响应强度值I 1、I 2、I 3，计算得到被测样品5表面的位移信息。
具体地，本实施例中，如图1所示，所述波长分光装置7包括：球面反射镜701、光栅702、球面聚焦镜703，所述光栅702、球面聚焦镜703分别设置在球面反射镜701两侧，从被测样品5表面反射的测量光束依次经色散物镜4、分束镜3、探测针孔6后入射至所述球面反射镜701，然后经球面反射镜701反射后入射至所述光栅702，经所述光栅702反射后将三波长测量光束中不同波长的光分开，经所述球面聚焦镜703聚焦到探测器8的不同探测区域。
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401（焦距23mm、通光孔径5.2mm）、凹透镜402（焦距-14mm、通光孔径15mm）、、第一凸透镜403（焦距23.8mm、通光孔径25.4mm）、第二凸透镜404（焦距34mm、通光孔径25.4mm）和第三凸透镜405（焦距34mm、通光孔径22mm）。
色散物镜4的基本工作原理如下：消色差透镜401将三波长点照明光束准直，准直光束进入凹透镜402进行发散，然后被第一凸透镜403、第二凸透镜404、第三凸透镜405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光轴16.5mm、16.505mm、16.510mm处。
进一步地，本实施例中，探测器8包括能探测波长λ 1、λ 2、λ 3下共焦响应强度的探测区域。
进一步地，本实施例中，波长分光装置7和探测器8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的三波长照明光束，三波长照明光束经照明针孔2和分束镜3进入色散物镜4；色散物镜4将波长λ 1=450nm、λ 2=455nm、λ 3=460nm聚焦在色散物镜光轴16.5mm、16.505mm、16.510mm处；进入色散物镜4中的照明光束聚焦形成三波长测量光束，照射在被测样品5的表面上；被测样品5将聚焦在其上的三波长测量光束反射，反射回的三波长光束被色散物镜4收集，经分束镜3反射进入探针针孔6；探测针孔6对经被测样品反射的三波长测量光束过滤，进入波长分光装置7；波长分光装置7将通过探测针孔6的三波长测量光束中不同波长的光聚焦在探测器8的不同区域；探测器8由此得到照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值I 1、I 2、I 3 ；通过对任意相邻波长下的共焦响应强度数据进行差分处理，得到两个相邻波长差分共焦响应值dI 21、dI 32，进而获取被测样品沿测量光束光轴方向的位移信息。当利用运动平台沿垂直于测量光束方向移动三波长点差分共焦显微探测装置或被测样品，获取被测样品表面不同位置处的位移信息，进而重构样品表面轮廓或形貌。
实施例2
本实施例提供了一种三波长点差分共焦显微探测方法，其基于图1所示的一种探测装置实现，本实施例中，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。探测装置中色散物镜4、波长分光装置7、探测器8等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，因此需要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，以及各个位移值下测量装置在照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值，然后对任意相邻波下的共焦响应强度值长进行差分处理得到第一和第二两个相邻波长差分共焦响应值；构建位移值与第一和第二两个相邻波长差分共焦响应值之间的对应关系，实现第一和第二两个相邻波长差分共焦响应值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记录不同位移时在照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值I 1、I 2、I 3 ，即照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度曲线，如图3所示；通过对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4所示，实现两个相邻波长差分共焦响应值dI 21、dI 32与样品位移之间关系的标定。
S2、测量过程：将被测样品5设置在测量光束的光轴上，测量并记录被测样品在λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值，然后对任意相邻波长下共焦响应强度值进行差分处理得到第一和第二两个相邻波长差分共焦响应值；根据第一和第二两个相邻波长差分共焦响应值与位移之间的标定关系，得到被测样品的位置；
S3、沿垂直于测量光束的光轴的方向移动被测样品5，重复步骤S2，得到被测样品表面5不同位置处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。
具体地，本实施例中，所述第一和第二两个相邻波长差分响应值的计算公式为：
dI 21=(I 2–I 1)/(I 2+I 1)、dI 32=(I 3–I 2)/(I 3+I 2)；（1）
或者，所述第一和第二两个相邻波长差分响应值的计算公式也可以为：
dI 21=(I 2–I 1)、dI 32=(I 3–I 2)；（2）
其中，dI 21和dI 32分别表示第一相邻波长差分响应值和第二相邻波长差分响应值，I 1、I 2、I 3分别表示被测样品在波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值。
进一步地，本实施例中，所述步骤S3的具体步骤为：沿垂直于测量光束的光轴的方向一维移动被测样品5，重复步骤S2，得到被测样品5表面一条直线上不同位置处沿测量光束光轴方向的位移信息，从而获得被测样品的轮廓和粗糙度信息；
进一步地，本实施例中，所述步骤S3的具体步骤可以为：沿垂直于测量光束的光轴的方向二维移动被测样品5，重复步骤S2，得到被测样品表面5表面不同位置处沿测量光束光轴方向的位移信息，从而获得被测样品的三维形貌信息。
具体地，本实施例中，在不同的标定位移下，可以得到一系列2个相邻波长差分共焦响应值；在实施过程中，可以先构建位移与这2个相邻波长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个相邻波长差分共焦响应值得到位移值。
实施例3
本发明实施例3提供了一种三波长点差分共焦显微探测装置，如图5所示，与实施例1不同的是，本实施例中，探测模块包括准直镜704、第一二色分光镜705、第二二色分光镜706和三个探测单元801；所述准直镜704用于将通过探测针孔6的三波长测量光束进行准直，准直后的三波长测量光束依次通过第一二色分光镜705、第二二色分光镜706后将三波长测量光束中的不同波长的光分开，所述三个探测单元801分别用于探测其中一个波长的强度，最终得到照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值I 1、I 2、I 3。
实施例4
本发明实施例4提供了一种三波长点差分共焦显微探测装置，如图6所示，与实施例1不同的是，所述探测模块包括准直镜704、第一分光单元707、第二分光单元708、三个窄带滤波片和三个探测单元801；所述准直镜704用于将通过探测针孔6的三波长测量光束进行准直，准直后的三波长光束依次通过第一分光单元707、第二分光单元708后分为三束；每束光分别经一个窄带滤波片709后，入射到其中一个探测单元，其中各个窄带滤波片709分别用于滤出其中一个波长，三个探测单元801分别用于探测三波长测量光束其中一个波长光的强度，最终得到照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值I 1、I 2、I 3。
实施例5
本发明实施例5提供了一种三波长点差分共焦显微探测装置，如图7所示，本实施例基于时分驱动电路实现三波长测量光束中不同波长的分离。具体地，与实施例1不同的是，本实施例的三波长点差分共焦显微探测装置还包括时分驱动电路712，时分驱动电路712的控制端与微处理器9连接，所述微处理器9用于控制时分驱动电路712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，在t 1、t 2、t 3时刻，依次产生波长为λ 1、λ 2、λ 3的三波长照明光束。三波长照明光束通过照明针孔2和分束镜3，进入色散物镜4；色散物镜4将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；通过色散物镜4的照明光束聚焦形成测量光束，照射在被测样品5上；从被测样品5表面反射的光束沿原路返回，被色散物镜4收集，经分束镜3反射，通过探针针孔7，在t 1、t 2、t 3时刻依次被探测器8接收，得到照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值I 1、I 2、I 3；微处理器9通过对记录的照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值I 1、I 2、I 3进行差分处理得到两个相邻波长差分共焦响应值dI 21、dI 32，并根据两个相邻波长差分共焦响应值dI 21、dI 32与样品位移之间的精确标定关系，获取样品表面5沿测量光束光轴OA1方向的位移信息。因此，本实施例中，所述探测模块为单探测器。
实施例6
如图8所示，本发明实施例6提供了一种三波长点差分共焦显微探测装置，其基于光纤器件实现。与实施例1不同的是，本实施例中，三波长光源1包括第一单波长光纤光源101、第二单波长光纤光源102、第三单波长光纤光源103、1×3的光纤合束器104；探测装置还包括光纤耦合器301、色散物镜4、波分复用器713、探测器8和微处理器9，其中，探测器8包括三个光纤探测器804。
本实施例的基本工作原理如下：第一单波长光纤光源101、第二单波长光纤光源102、第三单波长光纤光源103分别发出波长λ 1、λ 2、λ 3的三波长照明光束，通过光纤合束器104进入到光纤耦合器301；光纤耦合器301将三波长照明光束送往色散物镜4；色散物镜4将由光纤耦合器301发出的三波长点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；通过色散物镜的照明光束聚焦形成测量光束，照射在测量样品表面；被测样品将测量光束反射，反射光束沿原光路返回，被色散物镜4收集，进入光纤耦合器301；光纤耦合器301将经被测样品反射回的三波长测量光束送入波分复用器713；波分复用器713将三波长测量光束中不同波长的光送至探测器8中不同探测区域，由光纤光电探测器804得到照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值I 1、I 2、I 3；微处器9通过对照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值I 1、I 2、I 3进行差分处理得到两个相邻波长差分共焦响应值dI 21、dI 32，进而获取被测样品表面沿测量光束光轴OA1方向的位移信息。
实施例7
如图8所示，本发明实施例7提供了一种三波长点差分共焦显微探测装置，其基于光纤器件和时分驱动电路实现。与实施例6不同的是，本实施例的一种三波长点差分共焦显微探测装置还包括时分驱动电路712，通过设置时分驱动电路712，本实施例无需设置波分复用器713和多个光纤探测器，仅需设置第一光纤探测器804即可。
本实施例的工作原理如下：第一单波长光纤光源101、第二单波长光纤光源102、第三单波长光纤光源103分别发出波长λ 1、λ 2、λ 3的三波长照明光束；微处理器9控制时分驱动电路712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三波长光源中波长为λ 1、λ 2、λ 3的单波长光纤光源模块供电，在t 1、t 2、t 3时刻（即不同时刻），依次发生波长为λ 1、λ 2、λ 3的单波长照明光束，不同波长的照明光束通过光纤合束器104进入到光纤耦合器301；光纤耦合器301将三波长点照明光束送往色散物镜4；色散物镜4将光纤耦合器301发出的不同波长的单波长点照明光束聚焦在色散物镜光轴OA1上不同位置处；通过色散物镜4的照明光束聚焦形成测量光束，照射在测量样品表面；被测样品将测量光束反射，反射光束沿原光路返回，被色散物镜4收集，进入光纤耦合器301；光纤耦合器301将反射回的单波长测量光束送入光纤探测器804；在t 1、t 2、t 3时刻，光纤探测器804依次探测得到照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值I 1、I 2、I 3；微处器9通过对照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值I 1、I 2、I 3进行处理得到两个相邻波长差分共焦响应值dI 21、dI 32，进而获取被测样品表面沿测量光束光轴OA1方向的位移信息。
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)
1.三波长点差分共焦显微探测装置，其特征在于，包括：三波长光源（1）、照明针孔（2）、分束镜（3）、色散物镜（4）、探测针孔（6）和探测模块；
所述三波长光源（1）发出波长λ 1、λ 2、λ 3的三波长照明光束，所述三波长照明光束依次经所述照明针孔（2）和分束镜（3）后入射到所述色散物镜（4）；所述色散物镜（4）对不同波长的光有不同的焦距，用于将各个波长的光聚焦在色散物镜（4）光轴上的不同位置处，形成测量光束照射在被测样品（5）表面上；从被测样品（5）表面反射的三波长测量光束经所述色散物镜（4）后沿原光路返回至分束镜（3），依次经所述分束镜（3）和探测针孔（6）后入射至探测模块，经探测模块得到被测样品在波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值I 1、I 2、I 3，所述探测针孔（6）与所述照明针孔（2）共轭设置，共焦响应强度值I 1、I 2、I 3用于计算得到被测样品（5）表面的位移信息。
2.根据权利要求1所述的三波长点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（7）和探测器（8）；
所述波长分光装置（7）用于将三波长测量光束中的不同波长的光送至探测器（8）不同的探测区域，经所述探测器（8）的不同探测区域得到对应的光强值，即测量装置在照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值I 1、I 2、I 3。
3.根据权利要求2所述的三波长点差分共焦显微探测装置，其特征在于，所述波长分光装置（7）包括：球面反射镜（701）、光栅（702）、球面聚焦镜（703），所述光栅（702）、球面聚焦镜（703）分别设置在球面反射镜（701）两侧，从被测样品（5）表面反射的测量光束依次经色散物镜（4）、分束镜（3）、探测针孔（6）后入射至所述球面反射镜（701），然后经球面反射镜（701）反射后入射至所述光栅（702），经所述光栅（702）反射后，三波长照明光束中不同波长的光分开，然后经所述球面聚焦镜（703）聚焦到探测器（8）的不同探测区域。
4.根据权利要求1所述的三波长点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（704）、第一二色分光镜（705）、第二二色分光镜（706）和三个探测单元；所述准直镜（704）用于将通过探测针孔（6）的三波长测量光束进行准直，准直后的三波长测量光束依次通过第一二色分光镜（705）、第二二色分光镜（706）后将三波长测量光束中三个波长的光分开，每个所述探测单元分别用于探测其中一个波长光的强度；
或者，所述探测模块包括准直镜（704）、第一分光单元（707）、第二分光单元（708）、三个窄带滤波片和三个探测单元；所述准直镜（704）用于将通过探测针孔（6）的三波次测量光束进行准直，准直后的光束依次通过第一分光单元（707）、第二分光单元（708）后分为三束，然后每束光经一个窄带滤波片后入射到其中一个探测单元，每个所述探测单元分别用于探测其中一个波长光的强度；
或者，所述探测模块包括波分复用器（713）和三个探测单元；
或者，所述探测模块为光谱仪。
5.根据权利要求1所述的三波长点差分共焦显微探测装置，其特征在于，还包括微处理器（9）和时分驱动电路（712），所述微处理器（9）用于控制时分驱动电路（712）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λ 1、λ 2、λ 3的子光源模块供电，在t 1、t 2、t 3时刻，依次产生波长为λ 1、λ 2、λ 3的单波长照明光束；
所述探测模块为单探测器。
6.根据权利要求1所述的三波长点差分共焦显微探测装置，其特征在于，所述色散物镜（4）包括依次同轴设置的消色差透镜401、凹透镜（402）、第一凸透镜（403）、第二凸透镜（404）和第三凸透镜（405）。
7.根据权利要求1所述的三波长点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测量光束的光轴方向移动被测样品（5）；
或者，所述推进机构用于移动所述探测装置。
8.三波长点差分共焦显微探测方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种三波长点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波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值，然后对任意相邻波长下的共焦响应强度值进行差分处理得到第一和第二两个相邻波长差分共焦响应值；构建位移值与第一和第二两个相邻波长差分共焦响应值之间的对应关系，实现第一和第二两个相邻波长差分共焦响应值与位移之间关系的标定；
S2、测量过程：将被测样品（5）设置在测量光束的光轴上，测量并记录被测样品在波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值，然后对任意相邻波长下的共焦响应强度值进行差分处理得到第一和第二两个相邻波长差分共焦响应值；根据第一和第二两个相邻波长差分共焦响应值与位移之间的标定关系，得到被测样品（5）的位移；
S3、沿垂直于测量光束的光轴的方向移动被测样品（5），重复步骤S2，得到被测样品（5）表面不同位置处沿测量光束光轴方向的位移信息，从而获得被测样品（5）的形貌信息。
9.根据权利要求8所述的三波长点差分共焦显微探测方法，其特征在于，所述第一和第二两个相邻波长差分共焦响应值的计算公式为：
dI 21=(I 2–I 1)/(I 2+I 1)、dI 32=(I 3–I 2)/(I 3+I 2)；
或dI 21=(I 2–I 1)、dI 32=(I 3–I 2)；
其中，dI 21和dI 32分别表示第一相邻波长差分共焦响应值和第二相邻波长差分共焦响应值，I 1、I 2、I 3分别表示测量装置在照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的共焦响应强度值。
10.根据权利要求8所述的三波长点差分共焦显微探测方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤为：
沿垂直于测量光束的光轴的方向一维移动被测样品（5），重复步骤S2，得到被测样品（5）表面一条直线上不同位置处沿测量光束光轴方向的位移信息，从而获得被测样品（5）的轮廓和粗糙度信息；
或者为：
沿垂直于测量光束的光轴的方向二维移动被测样品（5），重复步骤S2，得到被测样品（5）表面不同位置处沿测量光束光轴方向的位移信息，从而获得被测样品（5）的三维形貌信息。
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