CN114459736A - 一种激光对焦成像系统及系统的偏移量的自动化检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光对焦成像系统及系统的偏移量的自动化检测方法。激光对焦系统通常用于无限远共轭光学系统中，可以检测物方待测样品的位置。其耦合到对应的检测系统或者观察系统中，虽然能够获得一致的对焦结果，但是由于激光对焦系统本身的误差，激光对焦系统耦合到系统中的安装误差以及激光对焦系统波长与检测或者成像系统使用波长的差异，导致激光对焦系统认定的样品位置并非检测系统或观察系统的成像最清晰位置，因此需要设置激光对焦系统的偏移量。本发明提出了一种激光对焦成像系统，能够判断样品上表面与激光对焦系统的焦面的相对位置，同时，提出了一种自动化设置偏移量的方法。本发明具有成本低，精度高，自动化程度高的特点。

Description

一种激光对焦成像系统及系统的偏移量的自动化检测方法
技术领域
本发明属于工业检测及显微观察领域，尤其涉及一种激光对焦成像系统及系统的偏移量的自动化检测方法。
背景技术
工业检测及显微观察的案例要求被检测或者被观察样品能够处于光学系统的成像焦面内，传统的方式是人为的移动样品和光学系统的相对距离，保证样品能够清晰成像，此过程可以称之为对焦。但是随着工业检测领域对对焦速度及准确度一致性的要求，以及显微观察领域对对焦精度的要求，传统的人工对焦已经不满足工业生产和研究的要求，因此自动对焦系统应运而生。激光对焦系统在工业检测和显微观察领域都有重要的运用，但是目前的自动对焦系统采用一束光束对焦，精度低，需要手动寻找焦点，自动化程度不高的问题。
激光对焦系统通常耦合到对应的检测系统或者观察系统中，虽然能够获得一致的对焦结果，但是由于激光对焦系统本身的误差，激光对焦系统耦合到系统中的安装误差以及激光对焦系统波长与检测或者成像系统使用波长的差异，导致激光对焦系统认定的物镜与样品的距离相对偏差并非真实的偏差，因此需要设置激光对焦系统的偏移量，此偏移量可以补偿上述误差。在现有产品中，激光对焦系统均可以设置此偏移量，但是偏移量是通过人工凭经验得出，不准确，且一致性差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种激光对焦成像系统及系统的偏移量的自动化检测方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现的：
第一方面，本发明提供了一种激光对焦成像系统，包括激光二极管、衍射元件、二向色镜、第一会聚透镜、反射镜、第二会聚透镜、探测器、第三会聚透镜、成像传感器、环形光源；
所述激光二极管发出的准直激光经过衍射元件被分成三束彼此平行的子激光束，所述三束子激光束随后经过二向色镜被反射，被反射的三束子激光束经过第一会聚透镜被会聚到样品上表面，随即被样品反射，反射的三束子激光束经过第一会聚透镜后被平行传输到二向色镜，随即被二向色镜反射，被二向色镜反射的三束子激光束经过反射镜被反射，被反射镜反射的三束子激光束经过第二会聚透镜被会聚到探测器上；所述探测器为线阵探测器；通过调整样品上表面与第一会聚透镜的距离，使得经过第二会聚透镜会聚到探测器的子激光束位于探测器的中点，从而实现激光对焦；所述环形光源发出光源照射到样品上表面，被样品上表面反射和散射后形成成像光束，随即成像光束经过第一会聚透镜被准直成平行光束，再经过二向色镜被透过到第三会聚透镜，被第三会聚透镜会聚到成像传感器；所述成像传感器用于接收成像光束并形成样品上表面图像。
进一步地，所述二向色镜的反射波长与激光二极管发出的准直激光的波长一样。
第二方面，本发明还提供了一种激光对焦成像系统，包括激光二极管、衍射元件、二向色镜、第一会聚透镜、弧形反射镜、探测器、第三会聚透镜、成像传感器、环形光源；
所述激光二极管发出的准直激光经过衍射元件被分成三束彼此平行的子激光束，所述三束子激光束随后经过二向色镜被反射，被反射的三束子激光束经过第一会聚透镜被会聚到样品上表面，随即被样品反射，反射的三束子激光束经过第一会聚透镜后被平行传输到二向色镜，随即被二向色镜反射，被二向色镜反射的三束子激光束经过弧形反射镜被反射并会聚到探测器上；所述探测器为线阵探测器；通过调整样品上表面与第一会聚透镜的距离，使得经过弧形反射镜被反射并会聚到探测器的子激光束位于探测器中点，从而实现激光对焦；所述环形光源发出光源照射到样品上表面，被样品上表面反射和散射后形成成像光束，随即成像光束经过第一会聚透镜被准直成平行光束，再经过二向色镜被透过到第三会聚透镜，被第三会聚透镜会聚到成像传感器；所述成像传感器用于接收成像光束并形成样品上表面图像。
进一步地，所述二向色镜的反射波长与激光二极管发出的准直激光的波长一样。
进一步地，所述环形光源发出光源的波长与所述二向色镜的反射波长不一样。
第三方面，本发明提供了一种激光对焦成像系统的偏移量的自动化检测方法，包括以下步骤：
步骤一：设置激光对焦成像系统的偏移量为0，所述偏移量为激光对焦成像系统形成的会聚焦点与样品上表面的距离差，当偏移量为0，即会聚焦点与样品上表面重合；在偏移量为0时成像传感器拍摄下对应的样品局部图像；
步骤二：随后分别设置激光对焦成像系统的偏移量为2a，a，-a和-2a，a的范围为10～50um，在不同偏移量时成像传感器拍摄下对应的样品局部图像；
步骤三：计算机分析不同偏移量拍摄到的样品局部图像，通过图像算法分析出各个图像的清晰度评价函数；所述清晰度评价函数包括灰度梯度类函数，频域分析类函数以及统计学函数；
步骤四：使用清晰度评价函数分析不同偏移量拍摄到的样品局部图像，得到不同偏移量下清晰度评价函数的曲线图，所述曲线图显示了不同偏移量下清晰度的变化；
步骤五：选出清晰度评价函数最高的两个偏移量，并在所述两个偏移量中选出四个偏移量，重复步骤二至步骤四，直至清晰度评价函数最高的两个偏移量的偏移量之差小于a/20时，取此时清晰度评价函数最高的偏移量。
本发明的有益效果是：本方案提出了一种激光对焦成像系统，结合三束光束的对焦结果，提高测量精度和重复性。同时，在使用所述激光对焦成像系统时，提出了一种激光对焦成像系统的偏移量的自动化检测方法，通过结合面阵相机拍照，算法识别清晰点的位置，实现偏移量的自动准确设置，保证激光对焦成像系统确定的对焦位置也是成像光学系统的最佳对焦位置。
附图说明
图1为实施例1的一种激光对焦成像系统的装置图；
图2为会聚焦点处于样品105上表面的位置图；
图3为会聚焦点处于样品105上表面之上的位置图；
图4为会聚焦点处于样品105上表面之下的位置图；
图5为会聚焦点与最佳成像物面的位置图；
图6为实施例2的一种激光对焦成像系统的装置图；
图7为实施例3的一种激光对焦成像系统的偏移量的自动化检测方法的流程图；
图8为-100～100um的清晰度评价函数图；
图9为0～50um的清晰度评价函数图；
图10为10～20um的清晰度评价函数图；
图11为实施例4的一种激光对焦成像系统的偏移量的自动化检测方法的流程图；
图12为-20～20um的清晰度评价函数图；
图13为10～20um的清晰度评价函数图；
图14为10～12um的清晰度评价函数图；
图中：101-激光二极管，102-衍射元件，103-二向色镜，104-第一会聚透镜，105-样品，106-反射镜，107-第二会聚透镜，108-探测器，109-第三会聚透镜，110-成像传感器，111-环形光源，弧形反射镜112。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明，本说明书实施例所述内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。
实施例1
如图1所示，一种激光对焦成像系统，包括激光二极管101、衍射元件102、二向色镜103、第一会聚透镜104、反射镜106、第二会聚透镜107、探测器108、第三会聚透镜109、成像传感器110、环形光源111；
所述激光二极管101发出的准直激光经过衍射元件102被分成三束彼此平行的子激光束，所述三束子激光束随后经过二向色镜103被反射，被反射的三束子激光束经过第一会聚透镜104被会聚到样品105上表面，随即被样品105反射，反射的三束子激光束经过第一会聚透镜104后被平行传输到二向色镜103，随即被二向色镜103反射，被二向色镜103反射的三束子激光束经过反射镜106被反射，被反射镜106反射的三束子激光束经过第二会聚透镜107被会聚到探测器108上；所述探测器108为线阵探测器；通过调整样品105上表面与第一会聚透镜104的距离，使得经过第二会聚透镜107会聚到探测器108的子激光束位于探测器108中点，从而实现激光对焦；所述环形光源111发出光源照射到样品105上表面，被样品105上表面反射和散射后形成成像光束，随即成像光束经过第一会聚透镜104被准直成平行光束，再经过二向色镜103被透过到第三会聚透镜109，被第三会聚透镜109会聚到成像传感器110；所述成像传感器110用于接收成像光束并形成样品105上表面图像。
所述二向色镜103的反射波长与激光二极管101发出的准直激光的波长一样。
一种激光对焦成像系统的工作原理为：所述激光二极管101发出的准直激光，所述准直激光的波长为850nm；准直激光到达衍射元件102，被衍射元件102分成三束彼此平行的子激光束；三束子激光束到达二向色镜103被反射，所述二向色镜103被设计为反射波长为850nm的光束并透过其他波长的光束；被二向色镜103反射的三束子激光束沿着光轴的方向传输到第一会聚透镜104并且都在光轴一侧，在图1中以实线表示；三束子激光束被第一会聚透镜104会聚到样品105上表面，形成一个会聚焦点F，随即被样品105反射；被样品105反射的三束子激光束经过第一会聚透镜104后成为三束彼此平行的子激光束，三束彼此平行的子激光束沿着光轴的方向传输到二向色镜103并且都在光轴另一侧，在图中以虚线表示；三束子激光束被二向色镜103反射传输到反射镜106，随即被反射镜106反射；被反射镜106反射的三束子激光束传输到第二会聚透镜107；随即被第二会聚透镜107会聚到探测器108；三束子激光束被第二会聚透镜107会聚形成一个会聚焦点F′，被探测器108接收；所述探测器108为线阵传感器，具有一列感光像素，通过调整样品105上表面与第一会聚透镜104的距离，使得经过第二会聚透镜107会聚到探测器108的子激光束位于探测器108中点，从而实现激光对焦；
由环形光源111发出光线倾斜照射到样品105上表面，被照明的样品105上表面反射和散射后形成成像光束，随后成像光束经过第一会聚透镜104，被第一会聚透镜104准直成平行光束，再经过二向色镜103被透过；因环形光源111发出的光源的波长不是850nm，可被二向色镜103透过；随即经过第三会聚透镜109被会聚到成像传感器110；所述成像传感器110用于接收到成像光束并形成样品105上表面图像。
如图2(a)和(b)所示，通过调整样品105上表面与第一会聚透镜104的距离，使三束子激光束被第一会聚透镜104会聚形成的一个会聚焦点F处于样品105上表面；被样品105上表面反射形成的光束在图2(a)中以虚线表示，因接近光轴的子激光束与光轴接近重合，其反射光束也与光轴接近重合，因此接近光轴的反射光束在图2(a)中没有画出来；当会聚焦点F处于样品105上表面上时，被第二会聚透镜107会聚形成的一个会聚焦点F′处于探测器108表面；此时经过第二会聚透镜107会聚到探测器108的子激光束位于探测器108中点，从而实现激光对焦，即样品105上表面位于准焦位置；
如图3(a)和(b)所示，当三束子激光束被第一会聚透镜104会聚形成的一个会聚焦点F处于样品105上表面之上，三束子激光束过会聚焦点F继续向下传输，到达样品105上表面，随即被样品105上表面反射并在图3(a)中以虚线表示；因接近光轴的子激光束与光轴接近重合，其反射光束与光轴接近重合，因此接近光轴的反射光束在图3(a)中没有画出来；反向延长反射的子激光束，延长线会聚于点O，反射的子激光束相当于从O点发出，点O比会聚焦点F更远离第一会聚透镜104。由应用光学基本原理可知，在图3(b)中，当会聚焦点F处于样品105上表面之上时，被第二会聚透镜107会聚形成的一个会聚焦点F′处于探测器108表面之上；经过会聚焦点F′后继续向下传输到达探测器108表面，在探测器108表面形成三个光斑，被探测器108的一列感光单元中的几个单元所接收，所述光斑处于探测器108中点右侧；由此可以判断出会聚焦点F处于样品105上表面之上；且由光斑距离中点的距离，可以判断会聚焦点F与样品105上表面的距离。
如图4(a)和(b)所示，三束子激光束还未会聚就被样品105上表面反射，但是延长子激光束，用细虚线表示，就会会聚于会聚焦点F；此时会聚焦点F处于样品105上表面之下；被样品105上表面反射的子激光束用虚线表示；因接近光轴的子激光束与光轴接近重合，其反射光束与光轴接近重合，因此接近光轴的反射光束在图4(a)中没有画出来；反射的子激光束会聚于样品105上表面之上的O点，反射的子激光束相对于从O点出发，O点比F点更接近第一会聚透镜104。由应用光学基本原理可知，在图4(b)中，当会聚焦点F处于样品105上表面之下时，透过第二会聚透镜107的子激光束还未会聚就被探测器108接收，延长子激光束，用细虚线表示，子激光束会会聚于会聚焦点F′；此时，会聚焦点F′处于探测器108表面下方；子激光束还未到达会聚焦点F′便在探测器108表面形成三个光斑，被探测器108的一列感光单元中的几个单元所接收，所述光斑处于探测器108中点左侧；由此可以判断出会聚焦点F处于样品105上表面之下；且由光斑距离中点的距离，可以判断会聚焦点F与样品105上表面的距离。
从图2-4可以看出，总结来说，当样品105上表面刚好与三束子激光束会聚焦点F重合时，经过第二会聚透镜107会聚到探测器108的子激光束位于探测器108中点，此时实现激光对焦，即样品105上表面位于准焦位置；当样品105上表面在三束子激光束会聚焦点F之下时，传感器108接收到的反射三束子激光束在传感器108上没有会聚于一点，且都位于传感器108的中点位置的右侧。当样品105上表面在三束子激光束会聚焦点F之上时，传感器108接收到的反射三束子激光束在传感器108上没有会聚于一点，且都位于传感器108的中点位置的左侧。三光束的最外侧光束与传感器108中点的距离与样品105上表面距离三束子激光束会聚焦点F的垂直距离有关。
激光对焦成像系统使用前需要经过校准。校准方法是将一块平整样品放在一个百纳米精度陶瓷位移台上，调整陶瓷位移台上下高度，使返回的三束激光束会聚光斑位于探测器108的正中央位置，此时偏移量为0。以1微米的步进向上调整陶瓷位移台高度，由上所述，反射回的三束激光束没有会聚就被探测器108接收，探测器108是线阵探测器，由一列感光像素组成，反射回的三束激光束分别被不同的感光像素吸收，可以分别得到最左侧激光束和中间激光束距离探测器中央像素的像素个数d1和d2，为了增加系统冗余度，求得平均偏移像素d3＝(d1+d2)/2，可以标定得到位移台的上升高度与平均偏移像素d3的对应关系。例如陶瓷位移台相对偏移量为0位置上升了45微米，最左侧激光束和中间激光束距离探测器中央像素的像素个数50和24，平均偏移像素d3为37。经过校准后，当激光对焦成像系统检测得到平均偏移像素d3为37，就能判断出此时样品在相对偏移量为0位置上方45微米处，此位置为偏移量为45微米的位置。同理，可以标定得到位移台相对偏移量为0位置的下降高度与平均偏移像素d3的对应关系。
如图5(a)所示，在理想情况下，当激光对焦成像系统形成的会聚焦点F位于样品105上表面时，激光对焦成像系统形成的会聚焦点F应该与成像系统的最佳成像物面m重合且都在样品105上表面。
所述最佳成像物面m定义为：成像传感器110像面的共轭面，当样品位于共轭面时，成像传感器110形成的样品表面的图像最清晰，即成像最清晰。
但是实际情况，由于激光对焦成像系统的装配误差，当激光对焦成像系统形成的会聚焦点F位于样品105上表面时，光对焦系统形成的会聚焦点F与成像系统的最佳成像物面m不重合，即样品105上表面不处于最佳成像物面m，如图5(b)所示。因此需要引入激光对焦成像系统的偏移量来补偿这种误差，使样品105上表面与最佳成像物面m重合，即样品105上表面与最佳成像物面m重合时，偏移量不一定为0。
激光对焦成像系统的偏移量定义为：激光对焦成像系统形成的会聚焦点F与样品105上表面的距离差；当会聚焦点F位于样品105上表面上方，偏移量为正；当会聚焦点F位于样品105上表面下方，偏移量为负。
实施例2
如图6所示，一种激光对焦成像系统，包括激光二极管101、衍射元件102、二向色镜103、第一会聚透镜104、弧形反射镜112、探测器208、第三会聚透镜109、成像传感器110、环形光源111；
所述激光二极管101发出的准直激光经过衍射元件102被分成三束彼此平行的子激光束，所述三束子激光束随后经过二向色镜103被反射，被反射的三束子激光束经过第一会聚透镜104被会聚到样品105上表面，随即被样品105反射，反射的三束子激光束经过第一会聚透镜104后被平行传输到二向色镜103，随即被二向色镜103反射，被二向色镜103反射的三束子激光束经过弧形反射镜112被反射并会聚到探测器108上；所述探测器108为线阵探测器；通过调整样品105上表面与第一会聚透镜104的距离，使得经过弧形反射镜112被反射并会聚到探测器108的子激光束位于探测器108中点，从而实现激光对焦；所述环形光源111发出光源照射到样品105上表面，被样品105上表面反射和散射后形成成像光束，随即成像光束经过第一会聚透镜104被准直成平行光束，再经过二向色镜103被透过到第三会聚透镜109，被第三会聚透镜109会聚到成像传感器110；所述成像传感器110用于接收成像光束并形成样品105上表面图像。
所述二向色镜103的反射波长与激光二极管101发出的准直激光的波长一样。
所述环形光源111发出光源的波长与所述二向色镜103的反射波长不一样。
一种激光对焦成像系统的工作原理为：所述激光二极管101发出的准直激光，所述准直激光的波长为850nm；准直激光到达衍射元件102，被衍射元件102分成三束彼此平行的子激光束；三束子激光束到达二向色镜103被反射，所述二向色镜103被设计为反射波长为850nm的光束并透过其他波长的光束；被二向色镜103反射的三束子激光束沿着光轴的方向传输到第一会聚透镜104并且都在光轴一侧，在图6中以实线表示；三束子激光束被第一会聚透镜104会聚到样品105上表面，形成一个会聚焦点F，随即被样品105反射；被样品105反射的三束子激光束经过第一会聚透镜104后成为三束彼此平行的子激光束，三束彼此平行的子激光束沿着光轴的方向传输到二向色镜103并且都在光轴另一侧，在图6中以虚线表示；三束子激光束被二向色镜103反射传输到弧形反射镜112，被弧形反射镜112反射并会聚探测器108；所述弧形反射镜112能够将三束子激光束偏转90°并会聚在探测器108；所述探测器108为线阵探测器，具有一列感光像素，通过调整样品105上表面与第一会聚透镜(104)的距离，使得经过弧形反射镜112被反射并会聚到探测器108的子激光束位于探测器108中点，从而实现激光对焦；
由环形光源111发出光线倾斜照射到样品105上表面，被照明的样品105上表面反射和散射后形成成像光束，随后成像光束经过第一会聚透镜104，被第一会聚透镜104准直成平行光束，再经过二向色镜103被透过；因环形光源111发出的光源的波长不是850nm，可被二向色镜103透过；随即经过第三会聚透镜109被会聚到成像传感器110；所述成像传感器110用于接收到成像光束并形成样品105上表面图像。
由于激光对焦成像系统的装配误差，激光对焦成像系统形成的会聚焦点F与成像系统的最佳成像物面m不重合，如图5(b)所示。所以需要多次调整对焦系统的偏移量，即调整样品105上表面与激光对焦成像系统形成的会聚焦点F的距离，使成像系统的最佳成像物面m与样品105上表面重合。当成像系统的最佳成像物面m与样品105上表面重合时，成像系统可以得到最清晰的样品图像。但为了使成像系统得到最清晰的样品图像，需要多次手动设置多个预设偏移量值，肉眼判断各个预设值下是否成像系统成像清晰，因此一个自动化的激光对焦成像系统的偏移量检测方法使必要的。
实施例3
如图7所示，一种激光对焦成像系统的偏移量的自动化检测方法，包括以下步骤：
步骤一：通过调整样品105上表面与第一会聚透镜104的距离，使经过第二会聚透镜107会聚到探测器108的子激光束位于探测器108的中点，即经第一会聚透镜104形成的会聚焦点F与样品105上表面重合，此时偏移量为0；在偏移量为0时成像传感器110拍摄下对应的样品局部图像；
步骤二：随后分别调整样品台高度，使激光对焦成像系统的偏移量分别为100um，50um，-50um和-100um，当偏移量为100um、50um时，激光对焦成像系统形成的会聚焦点F处于样品上表面上方，当偏移量为-100um、-50um时，激光对焦成像系统形成的会聚焦点F处于样品上表面下方；在不同偏移量时成像系统的成像传感器110拍摄下对应的样品局部图像；
步骤三：计算机分析不同偏移量拍摄到的样品局部图像，通过图像算法分析出各个图像的清晰度评价函数；所述清晰度评价函数包括灰度梯度类函数，频域分析类函数以及统计学函数；
步骤四：使用清晰度评价函数分析不同偏移量拍摄到的样品局部图像，得到不同偏移量下清晰度评价函数的曲线图，所述曲线图显示了不同偏移量下清晰度的变化；
步骤五：选出清晰度评价函数最高的两个偏移量，并在所述两个偏移量中选出四个偏移量，重复步骤二至步骤四，直至清晰度评价函数最高的两个偏移量的偏移量之差小于3.5um，取此时清晰度评价函数最高的偏移量；
从图8中可以看出，在激光对焦成像系统的偏移量为0um的设置下，成像传感器110拍摄到的清晰度评价函数最高，表面样品图像清晰度最好，其次是激光对焦成像系统的偏移量为50um的情况下，可以判断出，清晰度评价函数最高的两个偏移量为0um和50um；随后在0um和50um选出四个偏移量，分别为10um、20um、30um、40um，在不同偏移量条件下图像传感器110拍摄下对应的样品局部图像，使用清晰度评价函数分析不同偏移量拍摄到的样品局部图像，得到不同偏移量下清晰度评价函数的曲线图，曲线图如图9所示；
从图9中可以看出，在激光对焦成像系统的偏移量为20um的设置下，成像传感器110拍摄到的清晰度评价函数最高，其次是激光对焦成像系统的偏移量为10um的情况下，可以判断出清晰度评价函数最高的两个偏移量为10um和20um；随后在10um和20um选出四个偏移量，分别为12um、14um、16um和18um，在不同偏移量条件下成像传感器110拍摄下对应的样品局部图像，使用清晰度评价函数分析不同偏移量拍摄到的样品局部图像，得到不同偏移量下清晰度评价函数的曲线图，曲线图如图10所示；
从图10中可以看出，在激光对焦成像系统的偏移量为16um的设置下，面阵图像传感器110拍摄到的清晰度评价函数最高，其次是激光对焦成像系统的偏移量为14um的情况下，可以判断出样品图像清晰度最高的两个偏移量为14um和16um；此时清晰度评价函数最高的两个偏移量的偏移量之差为2um，小于对焦系统精度50/20＝2.5um，取此时样品图像清晰度最高的偏移量为16um。
实施例4
如图11所示，一种激光对焦成像系统的偏移量的自动化检测方法，包括以下步骤：
步骤一：设置激光对焦成像系统的偏移量为0，所述偏移量为激光对焦成像系统形成的会聚焦点F与样品上表面的距离差，当偏移量为0，即会聚焦点F与样品上表面重合；在偏移量为0时成像传感器110拍摄下对应的样品局部图像；
步骤二：随后分别设置激光对焦成像系统的偏移量为20um，10um，-10um和-20um，当偏移量为20um、10um时，激光对焦成像系统形成的会聚焦点F处于样品上表面上方，当偏移量为-20um、-10um时，激光对焦成像系统形成的会聚焦点F处于样品上表面下方；在不同偏移量时成像系统的成像传感器110拍摄下对应的样品局部图像；
步骤三：计算机分析不同偏移量拍摄到的样品局部图像，通过图像算法分析出各个图像的清晰度评价函数；所述清晰度评价函数包括灰度梯度类函数，频域分析类函数以及统计学函数；
步骤四：使用清晰度评价函数分析不同偏移量拍摄到的样品局部图像，得到不同偏移量下清晰度评价函数的曲线图，所述曲线图显示了不同偏移量下清晰度的变化；
步骤五：选出清晰度评价函数最高的两个偏移量，并在所述两个偏移量中选出四个偏移量，重复步骤二至步骤四，直至清晰度评价函数最高的两个偏移量的偏移量之差小于3.5um，取此时清晰度评价函数最高的偏移量。
从图12中可以看出，在激光对焦成像系统的偏移量为10um的设置下，成像传感器110拍摄到的清晰度评价函数最高，表面样品图像清晰度最好，其次是激光对焦成像系统的偏移量为20um的情况下，可以判断出，清晰度评价函数最高的两个偏移量为10um和20um；随后在10um和20um选出四个偏移量，分别为12um、14um、16um、18um，在不同偏移量条件下图像传感器110拍摄下对应的样品局部图像，使用清晰度评价函数分析不同偏移量拍摄到的样品局部图像，得到不同偏移量下清晰度评价函数的曲线图，曲线图如图13所示；
从图13中可以看出，在激光对焦成像系统的偏移量为12um的设置下，成像传感器110拍摄到的清晰度评价函数最高，其次是激光对焦成像系统的偏移量为10um的情况下，可以判断出清晰度评价函数最高的两个偏移量为10um和12um；随后在10um和12um选出四个偏移量，分别为10.4um、10.8um、11.2um和11.6um，在不同偏移量条件下成像传感器110拍摄下对应的样品局部图像，使用清晰度评价函数分析不同偏移量拍摄到的样品局部图像，得到不同偏移量下清晰度评价函数的曲线图，曲线图如图14所示；
从图14中可以看出，在激光对焦成像系统的偏移量为10.8um的设置下，面阵图像传感器110拍摄到的清晰度评价函数最高，其次是激光对焦成像系统的偏移量为11.2um的情况下，可以判断出样品图像清晰度最高的两个偏移量为10.8um和11.2um；此时清晰度评价函数最高的两个偏移量的偏移量之差为0.4um，小于对焦系统精度10/20＝0.5um，取此时样品图像清晰度最高的偏移量为10.8um。

Claims (5)

1.一种激光对焦成像系统，其特征在于：包括激光二极管(101)、衍射元件(102)、二向色镜(103)、第一会聚透镜(104)、反射镜(106)、第二会聚透镜(107)、探测器(108)、第三会聚透镜(109)、成像传感器(110)、环形光源(111)；
所述激光二极管(101)发出的准直激光经过衍射元件(102)被分成三束彼此平行的子激光束，所述三束子激光束随后经过二向色镜(103)被反射，被反射的三束子激光束经过第一会聚透镜(104)被会聚到样品(105)上表面，随即被样品(105)反射，反射的三束子激光束经过第一会聚透镜(104)后被平行传输到二向色镜(103)，随即被二向色镜(103)反射，被二向色镜(103)反射的三束子激光束经过反射镜(106)被反射，被反射镜(106)反射的三束子激光束经过第二会聚透镜(107)被会聚到探测器(108)上；所述探测器(108)为线阵探测器；通过调整样品(105)上表面与第一会聚透镜(104)的距离，使得经过第二会聚透镜(107)会聚到探测器(108)的子激光束位于探测器(108)的中点，从而实现激光对焦；所述环形光源(111)发出光源照射到样品(105)上表面，被样品(105)上表面反射和散射后形成成像光束，随即成像光束经过第一会聚透镜(104)被准直成平行光束，再经过二向色镜(103)被透过到第三会聚透镜(109)，被第三会聚透镜(109)会聚到成像传感器(110)；所述成像传感器(110)用于接收成像光束并形成样品(105)上表面图像。
2.一种激光对焦成像系统，其特征在于：包括激光二极管(101)、衍射元件(102)、二向色镜(103)、第一会聚透镜(104)、弧形反射镜(112)、探测器(108)、第三会聚透镜(109)、成像传感器(110)、环形光源(111)；
所述激光二极管(101)发出的准直激光经过衍射元件(102)被分成三束彼此平行的子激光束，所述三束子激光束随后经过二向色镜(103)被反射，被反射的三束子激光束经过第一会聚透镜(104)被会聚到样品(105)上表面，随即被样品(105)反射，反射的三束子激光束经过第一会聚透镜(104)后被平行传输到二向色镜(103)，随即被二向色镜(103)反射，被二向色镜(103)反射的三束子激光束经过弧形反射镜(112)被反射并会聚到探测器(108)上；所述探测器(108)为线阵探测器；通过调整样品(105)上表面与第一会聚透镜(104)的距离，使得经过弧形反射镜(112)被反射并会聚到探测器(108)的子激光束位于探测器(108)中点，从而实现激光对焦；所述环形光源(111)发出光源照射到样品(105)上表面，被样品(105)上表面反射和散射后形成成像光束，随即成像光束经过第一会聚透镜(104)被准直成平行光束，再经过二向色镜(103)被透过到第三会聚透镜(109)，被第三会聚透镜(109)会聚到成像传感器(110)；所述成像传感器(110)用于接收成像光束并形成样品(105)上表面图像。
3.一种根据权利要求1或2所述的一种激光对焦成像系统，其特征在于，所述二向色镜(103)的反射波长与激光二极管(101)发出的准直激光的波长一样。
4.一种根据权利要求2所述的一种激光对焦成像系统，其特征在于，所述环形光源(111)发出光源的波长与所述二向色镜(103)的反射波长不一样。
5.一种权利要求1或2所述激光对焦成像系统的偏移量的自动化检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：设置激光对焦成像系统的偏移量为0，所述偏移量为激光对焦成像系统形成的会聚焦点与样品上表面的距离差，当偏移量为0，即会聚焦点与样品上表面重合；在偏移量为0时成像传感器(110)拍摄下对应的样品局部图像；
步骤二：随后分别设置激光对焦成像系统的偏移量为2a，a，-a和-2a，a的范围为10～50um，在不同偏移量时成像传感器(110)拍摄下对应的样品局部图像；
步骤三：计算机分析不同偏移量拍摄到的样品局部图像，通过图像算法分析出各个图像的清晰度评价函数；所述清晰度评价函数包括灰度梯度类函数，频域分析类函数以及统计学函数；
步骤四：使用清晰度评价函数分析不同偏移量拍摄到的样品局部图像，得到不同偏移量下清晰度评价函数的曲线图，所述曲线图显示了不同偏移量下清晰度的变化；
步骤五：选出清晰度评价函数最高的两个偏移量，并在所述两个偏移量中选出四个偏移量，重复步骤二至步骤四，直至清晰度评价函数最高的两个偏移量的偏移量之差小于a/20时，取此时清晰度评价函数最高的偏移量。
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