CN1209653C - 光纤面板共焦显微镜测量三维面形的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤面板共焦显微镜测量三维面形的方法和装置。让扩束准直光源照在其右侧棱镜上，通过棱镜斜面将光源照射到棱镜下方的光束分割器上，再经分割器下方的共焦显微系统聚焦于沿透镜系统光轴方向扫描的被测物体上，其反射光又经原路返回到光束分割器上，通过棱镜系统由其上的光采集系统输入计算机图象信息处理系统，由此即可自动求得被测物体表面的三维形貌数据，具有测量信噪比高、灵敏度高并且可调、结构较简单、装配调试方便、制造成本较低等优点。

Description

光纤面板共焦显微镜测量三维面形的方法和装置

技术领域

本发明涉及光电检测技术领域，更进一步涉及数字化三维形貌自动测量的方法和装置。

背景技术

共焦显微镜是生产过程和生物医学中的先进检测工具。这主要是由它的高精度、高灵敏度所决定。它与其它的光电三维测量方法如：同步扫描法、空间编码法、结构光法、相移法、傅里叶变换法等相比有其不可替代的特点：它不受照明阴影的限制，对于陡变物体同样可测；它还可测散射面的物体，对镜面物体同样适用；更有价值的是用这种仪器可以用于生物细胞、DNA遗传因子等的三维层析成像。它的深度分辨率依据所采用物镜的数值孔径不同可以从几微米到几十纳米。共焦成像测量的基本思想是让光线通过一针孔并经双向共焦光路聚焦于被测物体表面上，再从物体表面反射(散射)回的光线也沿着相同光路并进入针孔，这样只有从严格像面上返回的光能全部通过针孔，其它非像面上返回的光被强烈抑制。物体上处于焦点位置的高度作为基准，由此即可测得物体上所有区域相对于此基准的高度，从而得到该物体的三维形面数据。早期的这类仪器每次只能测量一个点，这样要测物体的全场将花费很多时间。所以后来陆续研制开发出多种全场测量的方案。

近年来，随着科学技术的飞速发展，共焦显微测量技术更加引起国内外工业界、医学界、国防领域及科学家们的高度重视。许多发达国家都认识到它的重要作用，都将其作为精密检测和医学检测领域中的重要技术内容予以研究，包括从定性观察到定量分析、从光路结构到误差分析、从数据采集到处理等。就具体方法按照每次采样点可分为：单点机械或光学扫描方式、多点针孔排列或转盘扫描方式、采用集成光学元件全场方式等。目前已商业化的应用包括医学临床内耳、眼角膜的病理诊断、金属或陶瓷镀层检测、半导体芯片、集成电路生产过程中的质量检测等，如日本的Mistuhiro等人正致力于印刷电路板的在线检测应用研究，美国的Paul.W Fieguth试图采用更高精度的共焦系统以测量镜面物体等。我国三维测量主要集中在大中型物体的轮廓测量上，精度在微米到纳米的共焦测量技术的研究还很少。

目前效果最好和应用前景可能最大的一种方案是微透镜阵列面板和针孔阵列面板组成的多光束共焦显微镜。采用这种集成光学器件的优点，一则可以最大限度地利用光能；二则可把一束准直光分离为数万甚至数十万个细光束，由此实现全场并行测量，达到高速测量的目的。但是它存在重要的缺点：(1)这种微型集成光学器件的制造难度高，仪器的整机调试要求非常严，从而生产成本高；(2)上述器件的表面反射光较强，使采集到的信号光的信噪比低，降低了测量精度；(3)为了减少上述反射光，在该系统的光路系统中增加了若干特种光学器件，不仅增加了成本，更会大幅度衰减光能；(4)仪器的测量灵敏度是固定的，无法针对不同的被测对象调整仪器的灵敏度。

发明内容

本发明针对微透镜阵列或针孔阵列共焦显微镜的上述缺点，本发明的一个目的在于，提供一种光纤面板共焦显微镜测量三维面形的方法，本发明的另一个目的是依上述方法实现一种光纤面板共焦显微镜测量三维面形的装置。

实现上述发明目的的技术解决方案是，光纤面板共焦显微镜测量三维面形的方法，将光源发射出的光经第一透镜、第一光阑和第二透镜扩束后并准直后照射到第一棱镜斜面上；其特征在于：经第一棱镜斜面被全反射到一光纤面板上，并被该光纤面板分割和扩束成N×N个薄壁光锥，然后利用由第三透镜，第二光阑，第四透镜组成的第一共焦显微镜系统聚焦于沿光路设置的位移平台上的被测物体表面，从被测物体表面反射回来的光沿原路返回光纤面板，并透过第一棱镜和第一棱镜左侧的第二棱镜后，依次穿过沿第二棱镜光路上设置的由第五透镜、第三光阑、第六透镜组成的第二共焦显微镜系统，聚焦于CCD靶面上，由CCD摄像机将视频信号输入计算机图像信息处理系统，位移平台使被测物体做上下垂直扫描运动，从而就可测得被测物体的三维形貌数据。

上述方法的另一些特点是，当光纤端面为倾斜的情况下，为了把光锥信号分离出来，采用将第一棱镜的底面倾斜或第二棱镜的顶面倾斜，把输出光锥主轴矫正到与光纤轴线方向平行。

所说的扩束准直光源输出的准直光的截面积等于或大于光纤面板的截面积。

反射到光纤面板的光线对光纤面板的入射角小于或等于光纤的数值孔径角。

一种实现上述方法的光纤面板共焦显微镜测量三维面形的装置，包括一光源，光源射出光的前方依次设置有第一透镜、第一光阑、第二透镜和第一棱镜，其特征在于，第一棱镜的左侧设有第二棱镜，第一棱镜斜面反射光前配置一光纤面板，在光纤面板出射的光路前配置一由第三透镜、第二光阑、第四透镜组成的第一共焦显微镜系统，第一共焦显微镜系统出射的光路前放置有一用于被测物体的高度方向扫描系统的位移平台，位移平台与计算机图像信息处理系统相连接；从被测物体表面反射回来的光沿原路返回光纤面板，并透过第一棱镜和第一棱镜左侧的第二棱镜后，依次穿过沿第二棱镜光路上设置的由第五透镜、第三光阑、第六透镜组成的第二共焦显微镜系统，聚焦于CCD摄像机(17)的CCD靶面(16)上，CCD摄像机与计算机图像处理系统相连接。

上述装置的其它特点是，所说的光纤面板为方形或多边形或封闭曲线形或任何曲线与直线组合形状。

所说的光纤面板排列方式为错位排列或矩阵排列或自由排列。

所述光纤面板所包含的光纤数量在10,000根以上，光纤的孔径大于0.05，光纤的芯径为6微米～30微米；包覆层的外径为8微米～180微米；光纤间距为20微米～180微米；粘结剂充满光纤间的所有空隙。

所说的光纤面板上镀有增透膜。

所说的第二棱镜的斜面与第一棱镜的反射面平行。

本发明所设计的这种光纤面板，目前在国际上是独一无二的，在制造工艺上易于实现而且成本较低。它同样可以把一束准直光分割成数万甚至数十万个细光束。达到微透镜一-针孔阵列器件相同的功能。本发明的实质在于：(1)发现光纤具有斜入射平行光输入后将以圆锥光输出的特性，可完全替代微透镜和针孔阵列组合器件；(2)发现上述光锥是一种薄壁光锥，故在相同数值孔径条件下，测量灵敏度可大幅度提高；(3)所设计的棱镜可以将信号光分离出来并被提取；(4)所设计的斜端面光纤面板可以完全排除器件的镜面反射光对检测信号光的影响；(5)提供了自由调节测量灵敏度的依据。

附图说明

图1为光纤共焦显微镜系统的原理示意图；

图2为光纤面板的光纤排列方式；

图3为光纤面板的外形种类；

图4为光纤面板的端面形式；

图5为光纤的参数；

图6为光纤端面的处理；

图7为光纤输入、输出光斑形状；

图8为返回输出光锥；

图9为返回输出光的分离；

图10为返回输出光方向的矫正；

图11为斜端面和水平端面光纤的输入、输出及反射光的方向；

图12为斜平面光纤输出光的分离；

图13为斜平面光纤输出光方向的矫正方案之一；

图14为斜平面光纤输出光方向的矫正方案之二；

图15为斜平面光纤输出光未经矫正的方向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图1是本发明的光学系统原理图。单色或准单色光源1照射出的光经第一透镜2、第一光阑3和第二透镜4扩束并准直后照射到第一棱镜5，只要对斜面6的入射角大于临界角，入射光就被全反射，照射光纤面板7后输出圆锥形光斑，经第一共焦显微镜系统(第三透镜8，第二光阑9，第四透镜10)聚焦于被测物体表面11。从物面11反射回来的光又经同一光路入射到光纤面板7，再经光纤面板7返回输出圆锥形光斑，借第一棱镜5和第二棱镜12把该信号光分离并向上输出，经第二共焦显微镜系统(第五透镜13、第三光阑14、第六透镜15)聚焦于CCD靶面16。CCD摄像机17将视频信号输入计算机图像处理系统18，经计算就可测得物面上的聚焦光强。如果物面11做上下移动(扫描)，并连续采集聚焦光强信息，则可绘制出一条“位移----光强”曲线，其近似的理论表达式为：

I(Z)＝[sinkz(1-cosθ)/kz(1-cosθ)]

式中k为波数，sinθ为数值孔径(NA)，z为被测点离焦点的高度，I(z)为对应于高度为z时的光强。

对应于光强峰值的位置，即为聚焦时的物面高度位置。由于光纤面板7内包含N×N根光纤，所以在上述扫描过程中，可同时测取物面11上N×N个点的高度，达到三维面形高速测量的目的。由垂直高度移动平台20使工件作上下扫描，平台20由驱动器19驱动，并由计算机控制。

本发明所提出的上述系统解决了一系列关键技术：

1.光纤面板的结构、参数与制造方法；

2.光纤扩束与信号回输的规律；

3.光纤面板反射光的抑止技术；

4.回输信号光的分离与提取技术；

5.提高测量灵敏度与精度的新途径。

上述关键技术将结合图2至图15进行阐述：

图2--图6表明本发明提出的光纤面板的结构。图2表明光纤的排列方式可以有三类：错位排列21、矩阵排列22和自由排列23。矩阵排列方式从理论上来说，可以使输出信号光的光点矩阵和摄像机的CCD像元一一对准，可适量提高测量精度。但实际上是无法真正实现的。自由排列的光纤面板，制造虽较方便，但是光纤分布密度低而不匀。错位排列的优点是光纤分布密度最高，而且光纤排列工艺成熟。所以本发明优先采用错位排列。光纤面板的形状除方形之外，还可以如图3表示的圆形24、六角形25、八角形26或其它一切曲线与直线组成的形状。由于光纤面板十分昂贵，故应充分利用它的可工作范围。被测工件的表面多数是方形的，所以把光纤面板做成方形的应是首选方案。光纤面板的两端面可以是平行的，如图4(a)所示；也可是不平行的，也即其中一个端面与光纤垂直，另一个端面则与光纤不垂直，如图4(b)所示。为了避免光纤端面反射光对测量的影响，应优先采用倾斜端面的光纤面板。

光纤的具体尺寸需视测量分辨率、测量精度、测量面积、仪器体积、光纤面板制造工艺，以及配套光学系统的参数而定。光纤芯29的直径d可在6微米至30微米之间，光纤包覆层30的外径可在8微米至180微米之间，光纤间距p可在20微米至180微米之间。过小的光纤芯径d会使光能损失过大；反之，过大的芯径d则要求光纤间距p也大，导致分辨率降低或光纤面板尺寸过大。光纤间距p既可由光纤包覆层30的外径D来决定(此时的粘接剂31厚度很薄)，如图5(a)所示；也可由光纤间的粘结剂31的厚度来决定(此时的光纤包覆层30很薄)，如图5(b)所示。前者在工艺上较容易实现，故本发明优先采用该方案。图6表明为了提高光纤的导光效率，可在光纤基体面板33上镀增透膜32。

图7(a)中，一束平行光34a以β角照射光纤35a的上端面，在光纤35a的另一端便输出以2β为锥顶角、以光纤直径d为厚度的薄壁圆锥状光场36a(以下简称“光锥”)。在入射角β小于光纤数值孔径的条件下，入射角β越大，输出光的锥顶角2β也越大；反之亦然，分别如图7(a)和7(b)所示。图7(b)的分析方法与图7(a)相同，故不重复。

图8中，光锥36c通过成像透镜37a聚焦于被测物体表面11a，它又被反射并经原光路输回光纤35c，从光纤35c的顶端输出此返回光束，它呈倒过来的薄壁光锥39a，它的侧壁和光源的入射光34c相切。如果不采取特殊措施，则光源38a将把返回的光锥39a(实际上就是有用的信号光)挡住一部分，如图8(a)所示，或大部分，如图8(b)，从而无法正常地提取信号。图8(b)的分析方法与图8(a)相同，故不重复。

图9表明：本发明采用棱镜5a把输入光40a和输出光锥43a/43b完全分离，从而可以很方便地采集到信号光锥43a/43b。其原理是这样的：入射光40a以等于临界角α的方向投射到棱镜5a的斜面，并被该斜面全反射到光纤35e的端面；另一方面，从该端面返回输出的薄壁光锥投射到棱镜5a的斜面时，由于入射角均小于临界角α而透过。其中仅有一细光束与入射光束40a重叠，它被棱镜5a的斜面反射回光源而浪费掉。进一步说，若入射光40a以大于临界角α的方向投射到棱镜5a的斜面，则从光纤35e的端面返回输出的薄壁光锥43a/43b投射到棱镜5a的斜面时，大部分或绝大部分信号光锥43a/43b会透过棱镜5a而被采集并输入计算机，仅小部分或极小部分被棱镜5a的斜面反射到光源而浪费掉。

由上可见，只要入射光40a以等于或大于临界角α投射到棱镜5a的斜面，都会被全反射到光纤5a，而且输出的光锥顶角2β可任意调节。根据共焦显微镜原理，上述光锥顶角(即数值孔径)2β越大，则测量灵敏度越高；反之亦然。所以本发明采用光纤面板作为核心器件，可以达到任意改变测量灵敏度的目的。现有的其它方案都是无法做到的。

根据共焦显微镜的另一原理，光锥端面36(见图7、图8)的光强分布特性也会影响测量灵敏度，近轴区光强密度越集中，则测量灵敏度越低；反之，则越高。本发明的光锥是薄壁光锥，光能量全部集中于圆周区，所以测量灵敏度特别高。这无疑是其它方案所无法比拟的突出优点。

图9还可知，信号光锥43a/43b的轴线42a输出方向因受棱镜5a斜面的折射而偏向一边，这不利于采集信号光锥的光学系统的结构设计。本发明增加了一个直角棱镜12a，如图10所示，信号光锥45a/45b的轴线44b方向被矫正得与光纤轴线平行。这样一来，光学系统的主光轴便可全部处于铅直方向，从而便于设计和制造。

现有的微透镜阵列或针孔阵列共焦显微镜存在一个共同问题，即微透镜或针孔器件的表面反光强烈，必须增加特殊的光学系统来减少反射光的影响和提高信噪比。这不仅增加了系统的复杂性和光能的损失，而且也无法彻底消除这种反射光对测量精度的影响。本发明则采取如下特殊方法来解决反射光问题。如图11所示：当假定照明光46以α角入射到光纤35g的端面，该端面若为水平面47，则表面反射光方向为48b，它实际上混杂在信号光锥48a/48b的侧边内，使信噪比降低；而当光纤端面倾斜γ角至51时，反射光方向就偏斜到52，和前述反射光的夹角为δ，从而把此反射光52和信号光锥48a/48b彻底分离。

δ＝sin[(n1/n0)sinφ]-sin[(n1/n0)sin(γ+φ)]-α

其中n1和n0分别为光纤芯材和空气的折射率，φ为在纤芯内的光锥半顶角。

从图11还可以发现另一个非常重要的现象：在光纤端面为水平面47的条件下，从光纤返回输出的光锥主轴49同光纤35g的轴线一致；而在光纤端面为倾斜面51的条件下，从光纤返回输出的光锥主轴54则向右偏斜θ，从而更加远离反射光52。

θ＝(β+ε-2γ)/2

其中假定光源50对光纤斜端面51的入射角为β，ε为光锥左侧边缘53b和光纤斜端面51的法线之夹角。

由此可见，只要光纤端面倾斜角γ足够大，则不需任何特殊光学系统或其它措施，反射光52就可以被彻底排除到信号光锥53a/53b之外，大幅度提高测量的信噪比。

当光纤端面为倾斜的情况下，为了把信号光锥53c/53d分离出来，可采用和图9相似的方法。如图12所示：棱镜5c把光锥53c/53d同入射光55分离，但光锥主轴54a严重右偏。为了矫正光锥方向，可以采用如图13所示的底面倾斜的棱镜5d，或采用如图14所示的顶面倾斜的棱镜12c，把输出光锥主轴54b矫正到与光纤轴线方向平行。这样一来，信号光锥53e/53f或53g/53h就可被铅直布置的光学系统采集，这样的仪器结构设计和制造都较方便。反之，若仍按图10那样的方法，采用两个直角棱镜(如图15中的5f和12d)则无法矫正光锥主轴54的方向。

从以上阐明的本发明的原理、方法和装置可以看出：本发明相对于其它共焦显微镜三维形面测量技术具有一系列优点：

(1)更有效地消除反射光对信号光的干扰，大幅度提高信噪比；

(2)在同样的数值孔径条件下，测量灵敏度高得多；

(3)测量灵敏度和测量精度可调；

(4)省略为了减少表面反射而需要的偏振棱镜、偏振片和λ/4波片等光学器件，不仅简化了结构，而且可以减少光能损失达四倍以上；

(5)光学系统的器件少、安装和调整简便、维修容易、整体制造成本较低。

本发明与针孔阵列器件方案一样，大部分入射光被拦住，仅约1/20的光能通过面板而被利用，这是相对于微透镜阵列面板方案的主要缺点。但由于半导体光源器件的迅速发展，低成本高功率的固体光源不断出现，所以上述缺点不会造成实质性的困难。从另一方面来看，本发明不必为消除光学器件的表面反射而增添附加光学器件，从而避免了大量的光能损失，由此可得到补偿。

Claims (10)

1、光纤面板共焦显微镜测量三维面形的方法，将光源发射出的光经第一透镜、第一光阑和第二透镜扩束后并准直后照射到第一棱镜斜面上；其特征在于：经第一棱镜斜面被全反射到一光纤面板上，并被该光纤面板分割和扩束成N×N个薄壁光锥，然后利用由第三透镜，第二光阑，第四透镜组成的第一共焦显微镜系统聚焦于沿光路设置的位移平台上的被测物体表面，从被测物体表面反射回来的光沿原路返回光纤面板，并透过第一棱镜和第一棱镜左侧的第二棱镜后，依次穿过沿第二棱镜光路上设置的由第五透镜、第三光阑、第六透镜组成的第二共焦显微镜系统，聚焦于CCD靶面上，由CCD摄像机将视频信号输入计算机图像信息处理系统，位移平台使被测物体做上下垂直扫描运动，从而就可测得被测物体的三维形貌数据。

2、根据权利要求1所述的光纤面板共焦显微镜测量三维面形的方法，其特征在于，当光纤面板端面为倾斜的情况下，将第一棱镜的底面倾斜或第二棱镜的顶面倾斜，把输出光锥主轴矫正到与光纤轴线方向平行。

3、根据权利要求1所述的光纤面板共焦显微镜测量三维面形的方法，其特征在于，所说的扩束准直光源输出的准直光的截面积等于或大于光纤面板的截面积。

4、根据权利要求1所述的光纤面板共焦显微镜测量三维面形的方法，其特征在于，反射到光纤面板的光线对光纤面板的入射角小于或等于光纤的数值孔径角。

5、光纤面板共焦显微镜测量三维面形的装置，包括一光源(1)，光源(1)射出光的前方依次设置有第一透镜(2)、第一光阑(3)、第二透镜(4)和第一棱镜(5)，其特征在于，第一棱镜(5)的左侧设有第二棱镜(12)，第一棱镜(5)斜面(6)反射光前配置一光纤面板(7)，在光纤面板(7)出射的光路前配置一由第三透镜(8)、第二光阑(9)、第四透镜(10)组成的第一共焦显微镜系统，第一共焦显微镜系统出射的光路前放置有一用于被测物体的高度方向扫描系统的位移平台，位移平台与计算机图像信息处理系统相连接；从被测物体表面反射回来的光沿原路返回光纤面板(7)，并透过第一棱镜(2)和第一棱镜左侧的第二棱镜(12)后，依次穿过沿第二棱镜(12)光路上设置的由第五透镜(13)、第三光阑(14)、第六透镜(15)组成的第二共焦显微镜系统，聚焦于CCD摄像机(17)的CCD靶面(16)上，CCD摄像机(17)与计算机图像处理系统(18)相连接。

6、根据权利要求5所述的光纤面板共焦显微镜测量三维面形的装置，其特征在于，所说的光纤面板(7)为方形或多边形或封闭曲线形或任何曲线与直线组合形状。

7、根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所说的光纤面板(7)排列方式为错位排列或矩阵排列或自由排列。

8、根据权利要求5所述的光纤面板共焦显微镜测量三维面形的装置，其特征在于，所述光纤面板(7)所包含的光纤数量在10,000根以上，光纤的孔径大于0.05，光纤的芯径为6微米～30微米；包覆层的外径为8微米～180微米；光纤间距为20微米～180微米；粘结剂充满光纤间的所有空隙。

9、根据权利要求5或6或7或8所述的光纤面板共焦显微镜测量三维面形的装置，其特征在于，所说的光纤面板(7)上镀有增透膜。

10、根据权利要求5所述的光纤面板共焦显微镜测量三维面形的装置，其特征在于，所述第二棱镜(12)的斜面与第一棱镜(5)的斜面(6)平行。

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