CN103278093B - 一种差动双区域共焦轴向测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种差动双区域共焦轴向测量装置属于三维共焦显微测量领域；该差动双区域共焦轴向测量装置包括设置在直射光路上的激光器，扩束准直镜，偏振分光棱镜、1/4玻片，探测物镜和样品，从激光器发射的激光束，经扩束准直镜扩束准直后，平行穿过偏振分光棱镜，再经过1/4玻片，由探测物镜会聚到样品上；还包括设置在反射光路上的差动双区域共焦探测光路，从样品反射的光束，再依次经过探测物镜、1/4玻片，由偏振分光棱镜反射，入射到差动双区域共焦探测光路；这种设计，不仅具备更高的轴向探测灵敏度，而且能够抑制共焦系统中乘性噪声的影响；同时获得单调变化的焦平面附近轴向曲线，通过一次测量即可获得样品轴向位置。
Description
技术领域
一种差动双区域共焦轴向测量装置属于三维共焦显微测量领域，特别涉及一种差动双区探测共焦轴向测量装置。
背景技术
激光共焦扫描显微成像技术作为一种非接触、高轴向分辨力的三维成像方法，在光学精密测量领域中得到广泛应用，尤其是随着微结构元件加工的精密度不断提高，其研究和应用的价值也在不断提升。
共焦显微成像技术最早由M.Minsky在1957年提出，此后由C.J.R.Sheppard、T.Wilson及M.Gu奠定了共焦显微成像技术的理论基础。并在上世纪80年代开始，陆续有商品化的共焦显微镜商品出现，极大的促进了三维显微测量技术的发展。
在共焦显微技术中，国内外学者针对如何提高共焦显微系统的三维成像能力作了大量的研究，为了获取更高的成像分辨率，如通过引入非线性荧光激发的荧光共焦显微技术、采用提高照明孔径角的4Pi共焦显微技术、结合干涉测量的干涉共焦显微技术，以及对特定结构实现高精度扫描的结构光照明的共焦显微技术，此外，改变探测方式，也是共焦显微技术提高分辨率的一种途径。通过引入差动探测方式，来提高轴向测量分辨力是一种有效的手段，如专利：具有高空间分辨力的差动共焦扫描检测方法(专利号：ZL200410006359.6)首先在基本共焦光路中引入了差动探测的概念，其通过分光棱镜，将从探测物镜返回的光束分为两路，其中一路将探测装置放置于收集物镜的正离焦处，另一路将探测装置放置于收集物镜的负离焦处，以两个探测装置输出的差值作为总得探测装置输出，实现了轴向灵敏度1倍的提升，提供抑制了系统中存在的加性噪声。此外专利：复色超分辨差动共焦测量方法与装置(专利号：ZL200710301423.7)，将复色光照明与差动共焦结合，进一步提高了探测分辨率。专利：三差动共焦显微三维超分辨成像方法(专利号：200410090774.4)提出了一种基于三差动的共焦成像方法来提升三维分辨力。专利：差动共焦系统球差测量方法(专利号：201210140889.4)将差动共焦方法应用了球差中的测量，此外，差动共焦技术还有其他形式。
发明内容
为了解决上述问题，本发明设计了一种差动双区域共焦轴向测量装置，该差动双区域共焦轴向测量装置不仅具备更高的轴向探测灵敏度，而且能够抑制共焦系统中乘性噪声的影响，使输出结果与输入光强及样品的反射率无关；同时获得单调变化的焦平面附近轴向曲线，使样品处于探测物镜焦平面附近位置时，通过一次测量即可获得其轴向位置。
本发明的目的是这样实现的：
一种差动双区域共焦轴向测量装置，包括设置在直射光路上的激光器，扩束准直镜，偏振分光棱镜、1/4玻片，探测物镜和样品，从激光器发射的激光束，经扩束准直镜扩束准直后，平行穿过偏振分光棱镜，再经过1/4玻片，由探测物镜会聚到样品上；还包括设置在反射光路上的差动双区域共焦探测光路，从样品反射的光束，再依次经过探测物镜、1/4玻片，由偏振分光棱镜反射，入射到差动双区域共焦探测光路。
上述的一种差动双区域共焦轴向测量装置，所述的差动双区域共焦探测光路包括分光镜，第一收集物镜，第二收集物镜，第一双区域比例输出探测装置,第二双区域比例输出探测装置；从偏振分光棱镜反射的光束平行入射到分光镜，直射光束经第一收集物镜会聚到第一双区域比例输出探测装置；反射光束经第二收集物镜会聚到第二双区域比例输出探测装置。
上述的一种差动双区域共焦轴向测量装置，所述的第一双区域比例输出探测装置或第二双区域比例输出探测装置包括设置在装置外壳中的第一光敏面和第二光敏面；设置在装置外壳外的第一光电转换电路模块，第二光电转换电路模块，硬件除法电路模块，模数转换模块和数字输出接口；所述的第一光敏面为圆形，圆心开针孔，第二光敏面为圆形，位于第一光敏面之后并与第二光敏面同心放置；第一光敏面经过第一光电转换电路模块光电转换输出模拟电压V1，第二光敏面经过第二光电转换电路模块光电转换输出模拟电压V2，V1与V2进入硬件除法电路模块输入端，V1为除数端，V2为被除数端，以V3＝V2/V1，经过硬件除法电路模块运算输出光强比例值，在经过模数转换模块完成模数转换，并通过数字输出接口输出。
上述的一种差动双区域共焦轴向测量装置，所述的第一双区域比例输出探测装置为第一CCD相机，所述的第二双区域比例输出探测装置为第二CCD相机，通过对第一CCD相机和第二CCD相机获取的光斑图像中采取虚拟针孔的方式，将光斑图像分为内圆区域和环带区域，以内圆区域像素灰度值之和与环带区域像素灰度值之和的比值作为输出。
由于本发明差动双区域共焦轴向测量装置，包括设置在直射光路上的激光器，扩束准直镜，偏振分光棱镜、1/4玻片，探测物镜和样品，从激光器发射的激光束，经扩束准直镜扩束准直后，平行穿过偏振分光棱镜，再经过1/4玻片，由探测物镜会聚到样品上；还包括设置在反射光路上的差动双区域共焦探测光路，从样品反射的光束，再依次经过探测物镜、1/4玻片，由偏振分光棱镜反射，入射到差动双区域共焦探测光路；这种设计，使该差动双区域共焦轴向测量装置不仅具备更高的轴向探测灵敏度，而且能够抑制共焦系统中乘性噪声的影响，使输出结果与输入光强及样品的反射率无关；同时获得单调变化的焦平面附近轴向曲线，使样品处于探测物镜焦平面附近位置时，通过一次测量即可获得其轴向位置。
附图说明
图1是本发明差动双区域共焦轴向测量装置结构示意图。
图2是具体实施例一的差动双区域共焦探测光路结构示意图。
图3是差动双区域共焦探测光路轴向响应曲线。
图4是具体实施例二的差动双区域共焦探测光路结构示意图。
图中：101激光器、102扩束准直镜、103偏振分光棱镜、1041/4玻片、105探测物镜、106样品、107分光镜、108第一收集物镜、109第二收集物镜、110第一双区域比例输出探测装置、111第二双区域比例输出探测装置、201第一光敏面、202第二光敏面、203第一光电转换电路模块、204第二光电转换电路模块、205硬件除法电路模块、206模数转换模块、207数字输出接口、301第一CCD相机、302第二CCD相机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。
具体实施例一
本实施例的差动双区域共焦轴向测量装置结构示意图如图1所示，该差动双区域共焦轴向测量装置包括设置在直射光路上的激光器101，扩束准直镜102，偏振分光棱镜103、1/4玻片104，探测物镜105和样品106，从激光器101发射的激光束，经扩束准直镜102扩束准直后，平行穿过偏振分光棱镜103，再经过1/4玻片104，由探测物镜105会聚到样品106上；还包括设置在反射光路上的差动双区域共焦探测光路，从样品106反射的光束，再依次经过探测物镜105、1/4玻片104，由偏振分光棱镜103反射，入射到差动双区域共焦探测光路。
所述的差动双区域共焦探测光路结构示意图如图2所示，该差动双区域共焦探测光路包括分光镜107，第一收集物镜108，第二收集物镜109，第一双区域比例输出探测装置110,第二双区域比例输出探测装置111；从偏振分光棱镜103反射的光束平行入射到分光镜107，直射光束经第一收集物镜108会聚到第一双区域比例输出探测装置110；反射光束经第二收集物镜109会聚到第二双区域比例输出探测装置111。
所述的第一双区域比例输出探测装置110或第二双区域比例输出探测装置111包括设置在装置外壳208中的第一光敏面201和第二光敏面202；设置在装置外壳208外的第一光电转换电路模块203，第二光电转换电路模块204，硬件除法电路模块205，模数转换模块206和数字输出接口207；所述的第一光敏面201为圆形，圆心开针孔，第二光敏面202为圆形，位于第一光敏面201之后并与第二光敏面202同心放置；第一光敏面201经过第一光电转换电路模块203光电转换输出模拟电压V1，第二光敏面202经过第二光电转换电路模块204光电转换输出模拟电压V2，V1与V2进入硬件除法电路模块205输入端，V1为除数端，V2为被除数端，以V3＝V2/V1，经过硬件除法电路模块205运算输出光强比例值，在经过模数转换模块206完成模数转换，并通过数字输出接口207输出。
所叙述的双层探测面，第一光敏面201的中心针孔尺寸为r1，第一光敏面201的半径为r2。第二光敏面202的半径应保证对透过第一光敏面201中心针孔的所有光强的探测。考虑从样品106表面到第一光敏面201和第二光敏面202的光学放大率M，实际尺寸为r1＝3M/(ksinα)，r2＝10M/(ksinα)，其中：k＝2π/λ，α为探测物镜105的半孔径角。
所述的差动双区域共焦探测光路，第一双区域比例输出探测装置110的第一光敏面201位于第一收集物镜108的前焦面，第二双区域比例输出探测装置111的第一光敏面201位于第二收集物镜109的后焦面，且第一双区域比例输出探测装置110的第一光敏面201与第二双区域比例输出探测装置111的第一光敏面201离焦量相同。最终以第一双区域比例输出探测装置110和第二双区域比例输出探测装置111的输出差值，作为差动双区域共焦探测光路轴向响应输出，得到的轴向响应曲线如图3所示。
具体实施例二
本实施例与具体实施例一的不同在于，所述的差动双区域共焦探测光路中，将第一双区域比例输出探测装置110替换成第一CCD相机301，将第二双区域比例输出探测装置111替换成第二CCD相机302，如图4所示。通过对第一CCD相机301和第二CCD相机302获取的光斑图像中采取虚拟针孔的方式，将光斑图像分为内圆区域和环带区域，以内圆区域像素灰度值之和与环带区域像素灰度值之和的比值作为输出。最终以第一CCD相机301和第二CCD相机302的输出差值，作为差动双区域共焦探测光路轴向响应输出。
Claims (1)
1.一种差动双区域共焦轴向测量装置，包括设置在直射光路上的激光器(101)，扩束准直镜(102)，偏振分光棱镜(103)、1/4玻片(104)，探测物镜(105)和样品(106)，从激光器(101)发射的激光束，经扩束准直镜(102)扩束准直后，平行穿过偏振分光棱镜(103)，再经过1/4玻片(104)，由探测物镜(105)会聚到样品(106)上；还包括设置在反射光路上的差动双区域共焦探测光路，从样品(106)反射的光束，再依次经过探测物镜(105)、1/4玻片(104)，由偏振分光棱镜(103)反射，入射到差动双区域共焦探测光路；所述的差动双区域共焦探测光路包括分光镜(107)，第一收集物镜(108)，第二收集物镜(109)，第一双区域比例输出探测装置(110)和第二双区域比例输出探测装置(111)；所述的第一双区域比例输出探测装置(110)为第一CCD相机(301)，所述的第二双区域比例输出探测装置(111)为第二CCD相机(302)，通过对第一CCD相机(301)和第二CCD相机(302)获取的光斑图像中采取虚拟针孔的方式，将光斑图像分为内圆区域和环带区域，以内圆区域像素灰度值之和与环带区域像素灰度值之和的比值作为输出；从偏振分光棱镜(103)反射的光束平行入射到分光镜(107)，直射光束经第一收集物镜(108)会聚到第一双区域比例输出探测装置(110)；反射光束经第二收集物镜(109)会聚到第二双区域比例输出探测装置(111)；
其特征为：所述的第一双区域比例输出探测装置(110)或第二双区域比例输出探测装置(111)包括设置在装置外壳(208)中的第一光敏面(201)和第二光敏面(202)；设置在装置外壳(208)外的第一光电转换电路模块(203)，第二光电转换电路模块(204)，硬件除法电路模块(205)，模数转换模块(206)和数字输出接口(207)；所述的第一光敏面(201)为圆形，圆心开针孔，第二光敏面(202)为圆形，位于第一光敏面(201)之后并与第二光敏面(202)同心放置；第一光敏面(201)经过第一光电转换电路模块(203)光电转换输出模拟电压V1，第二光敏面(202)经过第二光电转换电路模块(204)光电转换输出模拟电压V2，V1与V2进入硬件除法电路模块(205)输入端，V1为除数端，V2为被除数端，以V3＝V2/V1，经过硬件除法电路模块(205)运算输出光强比例值，在经过模数转换模块(206)完成模数转换，并通过数字输出接口(207)输出。
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