一种激光差动共焦层析定焦方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种激光差动共焦层析定焦方法与装置，属于光学成像与检测技术领域。该方法利用后置光瞳遮挡一半测量光束，使用分光瞳差动共焦探测系统对未被遮挡的测量光束进行探测，并利用差动共焦响应曲线的绝对零点来实现高精度层析定焦。将激光差动共焦技术与光线追迹技术有机融合，建立光线追迹及其补偿模型以消除各定焦表面参数之间的影响，并通过线性拟合绝对零点附近的数据实现快速触发定焦。本发明专利技术仅使用一路探测器即可得出差动共焦响应曲线，并利用差动共焦响应曲线的绝对零点实现层析定焦，系统结构及装调过程大大简化，同时避免了调整不准所引入的误差，定焦精度大幅提高。本发明专利技术将为共焦成像/检测领域提供一种新的技术途径。

A Laser Differential Confocal Tomography Focusing Method and Device

The invention relates to a laser differential confocal tomography focusing method and device, belonging to the field of optical imaging and detection technology. In this method, half of the measured beam is occluded by the posterior pupil, the unshielded measured beam is detected by the differential confocal detection system of the spectrophotometric pupil, and the absolute zero of the differential confocal response curve is used to achieve high precision tomography focusing. Laser differential confocal technology and ray tracing technology are integrated organically, and ray tracing and compensation model are established to eliminate the influence of surface parameters of each fixed focus. Fast trigger focusing is realized by linear fitting data near absolute zero. The differential confocal response curve can be obtained by using only one detector, and the absolute zero point of the differential confocal response curve can be used to achieve tomographic focusing. The system structure and the setting process are greatly simplified, and the errors caused by inaccurate adjustment are avoided, and the focusing accuracy is greatly improved. The invention will provide a new technical approach for the field of confocal imaging/detection.

【技术实现步骤摘要】
一种激光差动共焦层析定焦方法与装置
本专利技术属于光学成像与检测
，可用于光学元件、光学系统、非光学球面元件测量
等。
技术介绍
光学测量领域存在一个共性问题：由于受衍射极限的限制，制约了光学测量定焦能力的进一步提升，进而制约了检测仪器精度性能的改善提高。例如，球面光学元件参数测量中，除了面形参数之外，其曲率半径、透镜厚度、折射率、焦距、镜组间隔的高精度测量主要取决于光学测量元件界面间的定焦精度，特别是光学元件界面间的层析定焦精度。实际上，如何提高光学测量的定焦精度，特别是层析定焦精度，是光学元件测量领域亟待解决的关键共性问题。众多定焦瞄准方法中，自准直干涉定焦法由于具有较高的定焦灵敏度而在高精度的测量中被广泛应用，但现有干涉定焦法却存在以下致命的问题：1)无层析定焦能力。干涉定焦主要用于元件表面的定焦瞄准，制约了其在透镜折射率、厚度和间隔等涉及内部界面参数测量的应用；2)抗表面散射能力差。表面散射将破坏干涉形成条件，进而使干涉定焦难以适应非完善抛光表面光学元件、金属表面和陶瓷表面等测量领域，阻碍了干涉定焦测量方法的适应范围；3)干涉定焦速度慢。基于全幅干涉定焦图像采集分析的干涉定焦法，势必降低光学定焦的速度与精度，难以实现快速定焦测量，导致测量时间长、系统漂移大，最终影响测量精度；4)抗环境干扰能力差。干涉定焦法高灵敏的特征使其对环境气流扰动极度敏感，这在大尺寸的超长焦距和超大曲率半径测量中显得尤为突出，制约了其在大曲率半径和超长焦距测量中的应用。而由美国学者M.Minsky于1957年提出的共焦显微技术，由于其点照明和点探测的新型成像机制，使共焦显微技术具有光学领域独特的层析成像能力、高分辨成像能力和抗样品散射能力，这就为光学层析定焦提供了基础和前提。共焦显微镜的基本原理如图1所示，点光源发出的光经过分束镜、准直透镜和物镜在被测样品前表面聚焦，经被测样品反射的测量光束沿原路返回，再通过分束镜反射将来自样品的测量光聚焦到置于光电探测器前的针孔内，在光电探测器处形成点探测，光电探测器接收来自物镜焦点处的测量光，焦点以外的返回光被针孔遮挡。当被测样品位于物镜的焦平面时，光电探测器接收到的光强最大，当被测样品偏离焦平面时，反射光被聚焦在针孔前或后的某一位置，此时光电探测器仅接收少部分光能量，也就是说被测样品在离焦时探测到的光强要比在焦平面时弱，光电探测器测得共焦轴向响应曲线，共焦显微镜通过确定共焦轴向响应曲线的峰值点位置便可测得被测样品的高度位置。共焦显微镜轴向分辨能力通常通过其共焦轴向响应曲线的半高宽FWHM来表征，FWHM越小，轴向分辨能力越强。但由于受衍射极限等因素的限制，仅通过增大物镜数值孔径NA和减小光波波长λ等来改善共焦显微镜轴向分辨的能力有限。为了规避衍射焦深对轴向分辨能力和定焦精度的影响，本专利技术人曾申请中国专利“具有高空间分辨率的差动共焦扫描检测方法”(专利号：ZL200410006359.6)，显著提升了共焦显微系统的轴向分辨能力、轴向定焦能力和环境抗扰动能力，但是该专利技术由于使用两路探测光路来进行差动相减探测，因此存在装调精度要求高、系统复杂等不足，同时该高分辨差动共焦显微技术主要针对显微成像
针对此问题，本专利技术提出一种后置分光瞳差动相减探测的激光差动共焦层析定焦方法，该方法利用后置光瞳和分光瞳差动共焦探测系统，仅使用一路探测器即可获得差动共焦响应曲线，具有差动共焦层析定焦方法的高灵敏度优势，同时简化了系统结构和装调过程，避免了调整不准所引入的定焦误差，因此可以更进一步地提高定焦精度；将激光差动共焦技术与光线追迹技术有机融合，抑制了层析定焦中前表面参数、元件折射率等对定焦面的影响；采用差动共焦响应曲线零点附近的测量数据进行线性拟合来进行触发定焦，显著提升了光学定焦精度、定焦速度和抗散射能力。本专利技术为共焦成像/检测领域高精度定焦提供了一种新的技术途径。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决共焦成像/检测领域中的高精度层析定焦难题，提出通过后置光瞳遮挡一半测量光束，并使用分光瞳差动共焦探测系统进行探测，建立了光线追迹及其补偿模型，进而通过线性拟合实现快速高精度层析定焦，并用于进一步的成像/检测。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术所述的一种激光差动共焦层析定焦方法，具体步骤如下：a)打开点光源，点光源发出的光经分束镜、准直透镜和物镜后形成测量光束照射在被测样品上；b)调整被测样品，使其与测量光束共光轴，由被测样品反射回来的光通过物镜和准直透镜后被分束镜反射，被后置光瞳遮挡一半，透过的一半光束则聚焦为测量光斑，进入分光瞳差动共焦探测系统；c)沿光轴方向移动被测样品，使测量光束的焦点与被测样品的第一层析定焦表面顶点位置重合；在第一层析定焦表面顶点附近扫描被测样品，通过分光瞳激光差动共焦探测系统中的第一针孔、第二针孔和二象限探测器的第一探测象限和第二探测象限分别得到第一激光共焦响应曲线I1(z,+uM)和第二激光共焦响应曲线I2(z,-uM)，z为轴向坐标。将第一激光共焦响应曲线和第二激光共焦响应曲线差动相减即可得到差动共焦响应曲线I(z)：I(z)＝I1(z,+uM)-I2(z,-uM)(1)通过差动共焦响应曲线I(z)的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测元件的第一层析定焦表面顶点，进而精确确定测量光束的焦点位置Z1；d)继续沿光轴方向移动被测样品，使测量光束的焦点先后与被测样品的第二层析定焦表面至第N层析定焦表面顶点位置重合；在各层表面顶点位置扫描被测样品，由分光瞳激光差动共焦探测系统得到差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测元件的各层表面顶点，依次精确确定测量光束的焦点位置Z2，…，ZN，实现层析定焦。本专利技术所述的一种激光差动共焦层析定焦方法，将激光差动共焦技术与光线追迹技术有机融合，建立光线追迹及其补偿模型，进而消除各层析定焦表面参数间的相互影响。如图3和公式2所示，rN为第N个表面SN的曲率半径，nN为第N个表面SN与第N+1个表面SN+1之间的材料折射率，dN-1为第N-1个表面SN-1与第N个表面SN之间的轴向间隙，lN′为SN顶点到SN出射线与光轴交点的距离，uN′为SN出射光线与光轴的夹角。根据以上公式可递推计算出表面SN与SN+1之间的轴向间隙dN＝lN′，消除了各表面间参数对定焦结果的影响，实现精确层析定焦。本专利技术所述的一种激光差动共焦层析定焦方法，采用差动共焦特性曲线零点附近的测量数据进行线性拟合，通过拟合所得差动共焦线性段拟合直线的绝对零点位置来进行触发定焦，提升定焦精度、定焦速度和抗散射能力。本专利技术所述的一种激光差动共焦层析定焦方法，采用环形光瞳对测量光束进行调制，形成环形光束，降低测量元件参数时波像差对测量光束的影响，减少定焦误差。本专利技术所述的一种激光差动共焦层析定焦方法，所述后置光瞳为D形后置光瞳或圆形后置光瞳，实现后置光瞳激光差动共焦层析定焦。本专利技术还公开了一种激光差动共焦层析定焦装置，包括点光源，位于点光源光轴方向的分束镜、环形光瞳、准直透镜、物镜，和位于分束镜反射光方向的后置光瞳、分光瞳差动共焦探测系统，主控计算机、电机驱动系统、与光轴平行放置的直线导轨和与光轴同轴放置的五维调整架；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光差动共焦层析定焦方法，其特征在于：包括以下步骤：a)打开点光源(1)，点光源(1)发出的光经分束镜(2)、准直透镜(3)和物镜(4)后形成测量光束照射在被测样品(5)上；b)调整被测样品(5)，使其与测量光束共光轴，由被测样品(5)反射回来的光通过物镜(4)和准直透镜(3)后被分束镜(2)反射，被后置光瞳遮挡一半，透过的一半光束则聚焦为测量光斑，进入分光瞳差动共焦探测系统(13)；c)沿光轴方向移动被测样品(5)，使测量光束的焦点与被测样品(5)的第一层析定焦表面(21)顶点位置重合；在第一层析定焦表面(21)顶点附近扫描被测样品(5)，通过分光瞳激光差动共焦探测系统(13)中的第一针孔(10)、第二针孔(11)和二象限探测器(12)的第一探测象限(16)和第二探测象限(17)分别得到第一激光共焦响应曲线(18)I1(z,+uM)和第二激光共焦响应曲线(19)I2(z,‑uM)，z为轴向坐标。将第一激光共焦响应曲线(18)和第二激光共焦响应曲线(19)差动相减即可得到差动共焦响应曲线(20)I(z)：I(z)＝I1(z,+uM)‑I2(z,‑uM)  (1)通过差动共焦响应曲线(20)I(z)的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测元件的第一层析定焦表面(21)顶点，进而精确确定测量光束的焦点位置Z1；d)继续沿光轴方向移动被测样品(5)，使测量光束的焦点先后与被测样品(5)的第二层析定焦表面(22)至第N层析定焦表面(24)顶点位置重合；在各层表面顶点位置扫描被测样品(5)，由分光瞳差动共焦探测系统(13)得到差动共焦响应曲线(20)，通过差动共焦响应曲线(20)的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测样品(5)的各层表面顶点，依次精确确定测量光束的焦点位置Z2，…，ZN，实现层析定焦。...

【技术特征摘要】
1.一种激光差动共焦层析定焦方法，其特征在于：包括以下步骤：a)打开点光源(1)，点光源(1)发出的光经分束镜(2)、准直透镜(3)和物镜(4)后形成测量光束照射在被测样品(5)上；b)调整被测样品(5)，使其与测量光束共光轴，由被测样品(5)反射回来的光通过物镜(4)和准直透镜(3)后被分束镜(2)反射，被后置光瞳遮挡一半，透过的一半光束则聚焦为测量光斑，进入分光瞳差动共焦探测系统(13)；c)沿光轴方向移动被测样品(5)，使测量光束的焦点与被测样品(5)的第一层析定焦表面(21)顶点位置重合；在第一层析定焦表面(21)顶点附近扫描被测样品(5)，通过分光瞳激光差动共焦探测系统(13)中的第一针孔(10)、第二针孔(11)和二象限探测器(12)的第一探测象限(16)和第二探测象限(17)分别得到第一激光共焦响应曲线(18)I1(z,+uM)和第二激光共焦响应曲线(19)I2(z,-uM)，z为轴向坐标。将第一激光共焦响应曲线(18)和第二激光共焦响应曲线(19)差动相减即可得到差动共焦响应曲线(20)I(z)：I(z)＝I1(z,+uM)-I2(z,-uM)(1)通过差动共焦响应曲线(20)I(z)的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测元件的第一层析定焦表面(21)顶点，进而精确确定测量光束的焦点位置Z1；d)继续沿光轴方向移动被测样品(5)，使测量光束的焦点先后与被测样品(5)的第二层析定焦表面(22)至第N层析定焦表面(24)顶点位置重合；在各层表面顶点位置扫描被测样品(5)，由分光瞳差动共焦探测系统(13)得到差动共焦响应曲线(20)，通过差动共焦响应曲线(20)的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测样品(5)的各层表面顶点，依次精确确定测量光束的焦点位置Z2，…，ZN，实现层析定焦。2.根据权利要求1所述的一种激光差动共焦层析定焦方法，其特征在于：将激光差动共焦技术与光线追迹技术有机融合，建立光线追迹及其补偿模型，进而消除各层析定焦表面参数间的相互影响。如图3和公式2所示，rN为第N个表面SN的曲率半径，nN为第N个表面SN与第N+1个表面SN+1之间的材料折射率，dN-1为第N-1个表面SN-1与第N个表面SN之间的轴向间隙，lN′为SN顶点到SN出射线与光轴交点的距离，uN′为SN出射光线与光轴的夹角。根据以上公式可递推计算出表面SN与SN+1之间的轴向间隙dN＝lN′，消除了各表面间参数...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵维谦，邱丽荣，杨帅，王允，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11