一种波长扫描共焦微位移测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术一种波长扫描共焦微位移测量装置及方法，在共焦显微镜光路系统中，采用波长可调谐激光器照明，使用菲涅尔波带片进行聚焦点照明，根据菲涅尔波带片的轴向色差焦移特性，通过波长扫描实现聚焦光斑的轴向扫描，利用共焦针孔光电探测单元探测共焦轴向光学层析响应输出，针对离散波长λ

【技术实现步骤摘要】
一种波长扫描共焦微位移测量装置及方法
本专利技术属于精密测量
，特别涉及一种波长扫描共焦微位移测量装置及方法。
技术介绍
共焦显微技术(ConfocalMicroscopy)是实现光学层析显微技术的最典型方法，最早的共焦显微成像装置于20世纪50年代中后期由美国哈佛大学初级研究员M.Minsky提出，并研制了共焦显微成像装置的原始样机，于1961年获得美国专利技术专利权。共焦显微镜具有两大主要优点，即高成像分辨率特性和轴向光学层析能力。共焦显微技术的出现革新了传统宽场光学成像的基本原理，通过三点共轭聚集扫描成像实现非接触无损伤光学层析，特别是激光扫描共焦显微技术和荧光共焦显微技术的出现与发展对现代生物及医学、物理、化学、材料科学、纳米技术、精密测量等领域产生了深远影响。利用共焦显微镜轴向光学层析曲线的单峰值响应特性可以实现微结构表面形貌、微位移和膜厚等的精密测量，现有技术一般通过两类典型方法实现轴向扫描：第一类是基本形式，称为台式扫描，通过载物台的轴向位移带动微结构样品实现轴向扫描；第二类方法是载物台不动，而将显微物镜安装在一个精密位移机构上，一般是压电陶瓷纳米位移器或精密伺服电机位移器，此时显微物镜沿轴向移动实现对聚焦光斑的沿轴扫描，称为物镜扫描。以上两类方法均依靠精密机械运动来实现扫描，因此共焦显微镜成像及测量速度受到很大限制，大行程精密位移器成本高，这两类方法均无法实现沿轴平面内的快速精密扫描。上述技术问题是目前共焦显微镜轴向扫描面临的主要困难，急需一种不依赖于机械扫描的快速扫描方法。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种波长扫描共焦微位移测量装置及方法，基于二元振幅型或相位型大数值孔径菲涅尔波带片聚焦点照明，采用波长可调谐激光器照明，通过波长和位移在一定量程范围内的线性校准关系曲线实现微小位移的精密测量，在完成线性曲线的校准后的整个测量过程中，样品和物镜均不需要进行轴向位移扫描。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种波长扫描共焦微位移测量装置，包括：波长可调谐激光器1，作为光源，输出平行光束；二元结构菲涅尔波带片6，进行光束会聚形成点照明；共焦针孔光电探测单元，实现共焦信号探测。所述波长可调谐激光器1，其波长连续可调，波长下限和上限分别为λmin和λmax，下限波长能够扩展至紫外波段，上限波长能够延伸至近红外波段。所述二元结构菲涅尔波带片6为振幅型或相位型，且环带半径序列由决定，其中为照明中心波长，f是对应的焦距，N是环带数，取偶数。所述二元结构菲涅尔波带片6置于空气介质中，且其数值孔径满足NA>0.7。所述波长可调谐激光器1发出激光光束依次经会聚透镜2、照明针孔3和准直透镜4后形成准直平行光束，接着经分光镜5反射，反射光束由二元结构菲涅尔波带片6进行会聚提供点照明，平面反射镜或待测样品7设置在二元结构菲涅尔波带片6的焦平面附近，经平面反射镜或待测样品7反射回的光束经分光镜5透射，依次经收集物镜8和共焦探测针孔9，最后由光电探测器10进行接收。本专利技术还提供了一种波长扫描共焦微位移测量方法，包括如下步骤：步骤一，将波长下限λmin至上限λmax等间隔离散为λn＝λmin+(n-1)δλ,n＝1,2,...,11，δλ是波长步进间隔；步骤二，针对每一个波长λn，利用一维轴向压电陶瓷纳米位移器驱动平面反射镜得到共焦轴向光学层析响应输出，记录峰值响应位置对应的轴向坐标Zn，获得波长——峰值坐标对应关系表；步骤三，利用自变量λn和因变量Zn根据最小二乘拟合获得一条波长——峰值坐标的线性关系曲线，作为测量校准曲线查找表；步骤四，更换待测真实样品，对准不同待测特征点分别执行一次精细波长扫描，记录相应的共焦轴向光学层析响应曲线，根据峰值点对应的扫描波长由步骤三所得查找表推算出各点所对应的峰值点位置轴向坐标，从而完成各点微位移量或相对高度的精密测量。与现有技术相比，本专利技术采用波长扫描代替机械扫描，避免了样品与物镜的机械运动或扰动，为精密或超精密测量提供了硬件保障；仅利用单一平面微结构环带片代替常规大数值孔径显微物镜实现聚焦点照明，结构轻巧，设计灵活；利用现有成熟的微加工工艺即可实现菲涅尔波带片的批量制造，成本低廉；波长选取灵活，从紫外至近红外激光波长均可以覆盖等。附图说明图1为本专利技术中的波长扫描共焦微位移测量装置，图中1是波长可调谐激光器，2是会聚透镜，3是照明针孔，4是准直透镜，5是分光镜，6是二元振幅型菲涅尔波带片单元，7是平面反射镜或待测样品，8是收集物镜，9是探测针孔，10是光电探测器。图2为本专利技术菲涅尔波带片M1对应的径向透过率函数图。图3为本专利技术菲涅尔波带片M2对应的径向透过率函数图。图4为本专利技术菲涅尔波带片M1对应波长为532nm时的轴向归一化聚焦强度曲线图。图5为本专利技术菲涅尔波带片M2对应波长为633nm时的轴向归一化聚焦强度曲线图。图6为本专利技术菲涅尔波带片M1对应的波长偏差——焦距线性关系图。图7为本专利技术菲涅尔波带片M2对应的波长偏差——焦距线性关系图。具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明本专利技术的实施方式。如图1所示，本专利技术一种波长扫描共焦微位移测量装置，其光路系统工作原理为：波长可调谐激光器1发出激光光束，经会聚透镜2聚焦，再由照明针孔3滤波，之后由准直透镜4准直形成平行光束，接着经分光镜5反射，反射光束由二元结构菲涅尔波带片6进行会聚提供点照明，平面反射镜或待测样品7设置在二元结构菲涅尔波带片6的焦平面附近，经平面反射镜或待测样品7反射回的光束经分光镜5透射，再经收集物镜8会聚，之后由共焦探测针孔9滤波，最后由光电探测器10进行接收并输出有效信号。图1装置内的菲涅尔波带片(FresnelZonePlate，FZP)直接聚焦准直均匀激光光束，在距离环带片后表面任意垂轴距离内的光场，由矢量角谱(VectorialAngularSpectrum，VAS)理论进行分析计算。(1)菲涅尔波带片设照明激光光束的波长为λ0，菲涅尔波带片所在工作介质的折射率为η，则介质中光波波长为λ＝λ0/η，可得菲涅尔波带片的环带半径为式中，n是环带半径序数，f是主焦距。当取照明中心波长时，其中此时f是对应的焦距。对于大数值孔径FZP，有效数值孔径可以按照最大会聚半角α定义，即NA＝ηsinα，满足tanα＝rN/f；数值孔径定义之后，利用式(1)可以推导得到以下关系式由此，焦距f和数值孔径NA、介质折射率η、波长λ、最大环带数N建立了关联。给定f，根据式(2)，可以计算满足设计NA前提下的环带数N，进而得到FZP直径设N为偶数，用t(r)表示FZP的振幅透过率函数，对于二元振幅型FZP，透过率函数描述为式中，m＝0,1,...,N/2-1；上式假设最内环是透光情形。激光光束照明大数值孔径微结构环带片时，必须考虑电磁波的矢量偏振特性，因此采用矢量衍射理论进行完整阐述，同时为了加速计算过程，选取一种快速汉克尔变换算法快速、精确计算光场分布。(2)矢量角谱理论光场计算假设沿X轴方向振动的线偏振光(LPB)沿Z轴正向传播，垂直照明微结构，经微结构环带片衍射后，根据矢量角谱理论，在z>0的垂轴平面内任意一点位置处电场E的直角分量为式中，Ex(r,z)表示x向分量，E本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波长扫描共焦微位移测量装置，其特征在于，包括：波长可调谐激光器(1)，作为光源，输出平行光束；二元结构菲涅尔波带片(6)，进行光束会聚形成点照明；共焦针孔光电探测单元，实现共焦信号探测。

【技术特征摘要】
1.一种波长扫描共焦微位移测量装置，其特征在于，包括：波长可调谐激光器(1)，作为光源，输出平行光束；二元结构菲涅尔波带片(6)，进行光束会聚形成点照明；共焦针孔光电探测单元，实现共焦信号探测。2.根据权利要求1所述波长扫描共焦微位移测量装置，其特征在于，所述波长可调谐激光器(1)，其波长连续可调，波长下限和上限分别为λmin和λmax，下限波长能够扩展至紫外波段，上限波长能够延伸至近红外波段。3.根据权利要求1所述波长扫描共焦微位移测量装置，其特征在于，所述二元结构菲涅尔波带片(6)为振幅型或相位型，且环带半径序列由决定，其中为照明中心波长，f是对应的焦距，N是环带数，取偶数。4.根据权利要求1所述波长扫描共焦微位移测量装置，其特征在于，所述二元结构菲涅尔波带片(6)置于空气介质中，且其数值孔径满足NA>0.7。5.根据权利要求1所述波长扫描共焦微位移测量装置，其特征在于，所述波长可调谐激光器(1)发出激光光束依次经会聚透镜(2)、照明针孔(3)和准直透镜(4)后形成准直平行光束，接着经分光镜(5)反射，反射光束由二元结构菲...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，杨树明，刘强，蒋庄德，王通，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61