多波长线共焦显微探测方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于线共焦位移测量领域，利用多波长线共焦测量技术，结合物镜的色散特性和多波长分光探测与差分处理技术，实现样品表面位移信息的快速测量。本发明专利技术首次提出用波长分光装置将物镜收集的经样品反射的测量光束根据波长分离至不同探测区域，通过对不同波长下的探测线共焦响应强度信息进行相邻波长的线共焦响应强度信息的差分处理，进而得到被测样品表面沿测量光束光轴方向的位移信息。本发明专利技术将多波长线共焦技术、透镜的色散、多波长分光探测与差分处理等技术相结合，快速获取被测样品表面位移信息，为实现样品表面轮廓、形貌、形位公差等信息的快速测量提供了一种新思路。差等信息的快速测量提供了一种新思路。差等信息的快速测量提供了一种新思路。

【技术实现步骤摘要】
多波长线共焦显微探测方法与装置


[0001]本专利技术涉及一种高速线共焦显微测量方法，可应用于IC芯片、MEMS、功能化结构微纳器件、车铣刨磨等机加工表面、喷丸磨砂表面、拉丝表面等各类样品表面形貌的快速测量，属于光学成像与检测


技术介绍

[0002]线共焦显微镜由苏联人G. M. Svishchev于20世纪60年代后期提出，其基本架构是：使用一对共轭狭缝进行照明和探测，通过精确控制机械运动装置如高精度电机或压电陶瓷研显微物镜光轴方向移动，从而能获取被测样品沿光轴方向的位移信息。相比于传统的点扫描式共焦显微镜，线共焦显微镜在机械装置的轴向扫描过程能获取一条直线上点沿光轴方向的位移信息，即其形貌测量效率远远优于传统的点扫描式共焦显微镜。但是，线共焦显微镜在获取位移信息的过程中，需要复杂的机械装置精确进行沿光轴方向的扫描，而机械扫描效率低、精度低，上述因素限制了线共焦显微镜获取被测样品三维形貌的速度和精度。
[0003]为了提高传统线共焦显微镜的测量速度，发表在《Optics Letters》上的《Locally adaptive thresholding centroid localization in confocal microscopy》文献中：提出了采用一种变阈值的峰值提取算法，能满足大采样间隔时探测得到的线共焦响应强度信号的高精度处理，显著地提高线共焦显微测量速度和精度。但是，上述方法仍需要机械装置扫描，限制了线共焦显微测量速度的进一步提高。发表在《Optics Letters》上的《Simple differential digital confocal aperture to improve axial response of line
‑
scanning confocal microendoscopes》文献中：通过使用两个狭缝探测器，其中一个狭缝探测器放置在与狭缝照明光源共轭位置前一个微小间隔处，另一个探测器放置于与狭缝照明光源共轭位置后相等的微小间隔处，通过对两个狭缝探测器采集的共焦响应强度值做差分操作，快速获取被测样品表面上一条直线上点的位移信息。但是，上述方法在装置构建过程中存在如下缺陷：其一、狭缝探测共轭光路的调整极其复杂，上述方法中采用双探测狭缝探测器的设计将进一步使得光路调整复杂；其二、两个的狭缝探测器沿光束光轴方向上的位移偏置需要控制在微米量级，对机械零件的加工速度提出了极高的要求；其三、上述方法的测量量程受限于显微物镜的景深，只能维持在微米至数十微米量级，无法满足复杂大量程结构的形貌测量需求。
[0004]另一方面，线色散共焦显微测量方法采用宽带光源照明，利用色散物镜的轴向色散，结合线共焦探测技术，通过处理面光谱成像探测设备采集的光谱信息，实现无需机械轴向扫描的高速位移信息测量。但是，线色散共焦技术对光谱成像探测设备光谱分辨能力提出了较高要求，且采集频率受面阵探测器的性能限制通常只能达到kHz至10 kHz左右。

技术实现思路

[0005]本专利技术克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种多波长点共
焦显微探测方法与装置，以提高测量速度和测量精度。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为，包括一种多波长线共焦显微探测装置，包括：多波长光源、照明狭缝、分光单元、色散物镜、探测狭缝和探测模块；所述多波长光源发出波长λ1、λ2、λ3、
…
、λ
N
共N个波长的照明光束，所述照明光束经所述照明狭缝过滤后形成狭缝照明光束，所述狭缝照明光束经分光镜入射到所述色散物镜；所述色散物镜对不同波长的光有不同的焦距，用于对N个波长的狭缝照明光束进行聚焦，形成N条垂直于光轴的共面测量直线，记作L1、L2、L3、
…
、L
N
；所述由L1、L2、L3、
…
、L
N
组成的N条共面的直线测量光束并照射在被测样品表面上形成测量相交线；从被测样品表面反射的直线测量光束经所述色散物镜后沿原光路返回至分光镜，依次经所述分光单镜分光和探测狭缝过滤后入射至探测模块，经探测模块得到被测样品在照明波长λ1、λ2、λ3、
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N
下的线共焦响应强度数据，分别记为[I
11
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12
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分别表示被测样品的测量相交线上第M个测量点在波长λ1、λ2、λ3、
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下的线共焦响应强度值；所述探测狭缝与所述照明狭缝呈共轭设置，被测样品在照明波长λ1、λ2、λ3、
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N
下的线共焦响应强度数据用于计算得到被测样品表面的位移信息。
[0007]同时，本专利技术还提出一种多波长线共焦显微探测方法，包括以下步骤：S1、标定：将标定样品设置在测量光束的光轴上，控制标定样品沿测量光束光轴方向移动，测量并记录标定样品沿测量光束光轴方向的位移值，以及各个位移值下标定样品的测量相交线上全部M个点在N个照明波长λ1、λ2、λ3、
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211
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.多波长线共焦显微探测装置，其特征在于，包括：多波长光源（1）、照明狭缝（2）、分光单元（3）、色散物镜（4）、探测狭缝（6）和探测模块；所述多波长光源（1）发出波长λ1、λ2、λ3、
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共N个波长的照明光束，所述照明光束经所述照明狭缝（2）过滤后形成狭缝照明光束，所述狭缝照明光束经分光镜（3）入射到所述色散物镜（4）；所述色散物镜（4）对不同波长的光有不同的焦距，用于对N个波长的狭缝照明光束进行聚焦，形成N条垂直于光轴的共面测量直线，记作L1、L2、L3、
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组成的N条共面的直线测量光束并照射在被测样品（5）表面上形成测量相交线；从被测样品（5）表面反射的直线测量光束经所述色散物镜（4）后沿原光路返回至分光镜（3），依次经所述分光单镜（3）分光和探测狭缝（6）过滤后入射至探测模块，经探测模块得到被测样品（5）在照明波长λ1、λ2、λ3、
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下的线共焦响应强度数据用于计算得到被测样品（5）表面的位移信息。2.根据权利要求1所述的多波长线共焦显微探测装置，其特征在于，所述探测模块包括波长分光装置（7）和探测器（8）；所述波长分光装置（7）用于将线测量光束中的不同波长的光送至探测器（8）中不同的探测区域，经所述探测器（8）的N个不同探测区域得到被测样品（5）测量相交线上M个测量点的光强值，即被测样品（5）在N个照明波长λ1、λ2、λ3、
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NM ]。3.根据权利要求2所述的多波长线共焦显微探测装置，其特征在于，所述波长分光装置（7）包括：球面反射镜（701）、光栅（702）、球面聚焦镜（703），所述光栅（702）、球面聚焦镜（703）分别设置在球面反射镜（701）两侧，从被测样品（5）表面反射的线测量光束依次经色散物镜（4）、分光镜（3）、探测狭缝（6）后入射至所述球面反射镜（701），然后经球面反射镜（701）反射后入射至所述光栅（702），经所述光栅（702）反射后，线测量光束中各个波长的光分开，然后经所述球面聚焦镜（703）聚焦到探测器（8）的不同探测区域。4.根据权利要求1所述的多波长线共焦显微探测装置，其特征在于，所述探测模块包括准直镜（705）、（N－1）个二色分光镜、N个会聚镜和N个线阵探测器；所述准直镜（705）用于将经探测狭缝（6）过滤的线测量光束进行准直，准直后的测量光束依次通过（N－1）个二色分光镜后将线测量光束中N个不同波长的光分开，分开后的N个不同照明波长线测量光束分别经过一个会聚镜（707）后入射到一个线阵探测器（801），每个所述线阵探测器（801）分别用于探测线测量光束中一个波长光的强度；或者，所述探测模块包括准直镜（705）、（N－1）个分光镜、N个窄带滤波片、N个会聚镜和N个线阵探测器；所述准直镜（705）用于将经探测狭缝（6）过滤的线测量光束进行准直，准直后的光束依次通过（N－1）个分光镜后分为N束，然后每束光经一个窄带滤波片（709）后入射到其中一个线阵探测器（801），每个所述线阵探测器（801）分别用于探测线测量光束中一个波长光的强度。
5.根据权利要求1所述的多波长线共焦显微探测装置，其特征在于，还包括微处理器（9）和时分驱动电路（704），所述微处理器（9）用于控制时分驱动电路（704）产生周期性脉冲信号，脉冲信号的上升沿激励驱动电路依次给多波长光源（1）中波长为λ1、λ2、λ3、
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、λ
N
的子光源模块供电，在t1、t2、t3、
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时刻，依次产生波长为λ1、λ2、λ3、
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的照明光束；所述探测模块为单个线阵探测器（801）。6.根据权利要求1所述的多波长线共焦显微探测装置，其特征在于，所述色散物镜（4）包括依次同轴设置的消色差透镜（401）、凹透镜（402）、第一凸透镜（403）、第二凸透镜（404）和第三凸透镜（405）。7.根据权利要求1所述的多波长线共焦显微探测装置，其特征在于，还包括推进结构，所述推进机构用于沿垂直于测量光束的光轴方向移动被测样品（5）；或者，所述推进机构用于移动所述多波长线共焦显微探测装置。8.多波长线共焦显微探测方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种多波长线共焦显微探测装置实现，包括以下步骤：S1、标定：将标定样品设置在测量光束的光轴上，控制标定样品沿测量光束光轴方向移动，测量并记录标定样品沿测量光束光轴方向的位移值，以及各个位移值下标定样品的测量相交线上全部M个点在N个照明波长λ1、λ2、λ3、
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1）个相邻波长差分线共焦响应数据[dI
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【专利技术属性】
技术研发人员：杨佳苗，陈成，沈阳，邵荣君，
申请(专利权)人：绍兴钜光光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：