本发明专利技术公开了一种基于共焦光路像素差分的焦面检测方法，该方法基于分别放置在共焦差分光路中的焦前和焦后位置上的两路图像传感器，通过将两路图像传感器获取的离焦光斑形状进行差分，结合后期图像处理，实现了焦面的实时探测跟踪与补偿。还公开了一种基于共焦光路像素差分的焦面检测装置，包括位于光学系统中心光轴上依次排布的光源、滤波准直装置、二分之一波片、偏振分光棱镜、四分之一波片、物镜、样品，以及与偏振分光棱镜共轴依次布置的会聚透镜、分光棱镜和两路图像传感器。本发明专利技术与现有的其他焦面检测方法相比，具有装置简单，抗干扰能力强的优点，能实现高精度焦面跟踪定位与补偿。与补偿。与补偿。
【技术实现步骤摘要】
一种基于共焦光路像素差分的焦面检测方法及装置
[0001]本专利技术涉及光学精密检测
，尤其涉及一种基于共焦光路像素差分的焦面检测方法及装置，可用于光学系统中的定焦和焦面跟踪补偿。
技术介绍
[0002]共焦显微技术由于其独特的切片能力，可实现样品平面的轴向扫描和3D成像，已经被广泛的应用于光学加工、工程物理、生物医学工程和精密测量等领域。然而，传统的共焦技术仍有一些不足之处，比如信噪比低，抗干扰能力差，测量精度容易受到光源强度、环境照明的干扰和被测表面的反射特性的影响，测量过程中自身的机械不稳定性和环境振动不可避免的引入物体位置轴向漂移，线性度差、无绝对零点等缺点。因此在日趋成熟的微纳结构检测领域，传统的共焦显微已经不能满足当代科学研究对光学测量高分辨率的要求。
[0003]与传统共焦相比，差动共焦将两路探测器的信号进行差分，具有焦点判别能力强，灵敏度高，抗干扰能力强、具有绝对零位的优点，可进行双极性绝对跟踪测量。目前，绝大部分激光差动共焦扫描成像光路中，普遍采用的是能量探测法，即共焦光束分别经过针孔再被探测器(光电倍增管)接收。两路探测针孔相对会聚透镜的焦点有轴向偏移并且对称放置，通过压电陶瓷驱动控制物镜的位置，样品表面位于焦平面时，共焦光束经两路针孔得到的衍射斑强度极值相等，差分信号为零，实现对样品表面的精确聚焦。针孔衍射模型中的强度极大值与离焦量间存在非线性关系，因此这种方法严重依赖于两针孔摆放位置的精确度。同时整个光路系统存在线性范围窄、调试较为困难等缺点。
技术实现思路
[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提出一种基于共焦光路像素差分的焦面检测方法，该方法属于差动共焦检测技术的其中一种，具有差动共焦技术焦点判别能力强、灵敏度高、抗干扰能力强的优点，同时不采用针孔，避免了衍射强度极值变化非线性的问题；采用图像传感器CCD作为探测器，通过对探测器上的光斑形状进行差分实现定焦的目的。另外，该方法可根据系统所需要的检焦精度，灵活的设置系统光学参数，可做到大范围粗检焦和小范围精检焦。本专利技术还设计了一套可以实现该方法的基于共焦光路像素差分的焦面检测装置。
[0005]本专利技术的具体技术方案如下：
[0006]一种基于共焦光路像素差分的焦面检测方法，平行光束经物镜照射在样品表面，所述平行光束经所述样品的表面反射后，再次通过所述物镜，通过所述物镜的光束经会聚透镜聚焦后，被两图像传感器CCD1、CCD2接收；
[0007]多次改变样品平面的位置，每次测量图像传感器CCD1接收到的光斑半径和图像传感器CCD2接收到的光斑半径r2，分别代入公式(1)，计算得到离焦量Δ、会聚透镜和物镜之间的光程L；并对r1和r2作差，得到差分信号F(Δ)的值；根据得到的多组r1、r2、F(Δ)和Δ的数据，对F(Δ)和Δ进行拟合，得到差分信号F(Δ)与离焦量Δ的对应关系；
[0008][0009]式中，f
o
为所述物镜的有效焦距，f为所述会聚透镜的焦距，M为所述离焦量Δ的最大值，r
o
为入射到所述物镜的主平面的光斑半径。
[0010]进一步地，所述M为人工选择的值，所述离焦量Δ的范围为
‑
M≤Δ≤M；若此时CCD1和CCD2上的光斑尺寸小于CCD靶面尺寸，则继续进行后续步骤；否则，重新选择M。
[0011]进一步地，所述CCD1和CCD2分别位于所述会聚透镜焦点的两侧，且所述CCD1、CCD2均能接收到经会聚透镜聚焦后的光束。
[0012]进一步地，当所述物镜的焦点位于所述样品和所述物镜之间时，所述离焦量Δ为正；当所述物镜的焦点位于所述样品表面时，所述离焦量Δ为0；否则，所述离焦量Δ为负。
[0013]进一步地，调整离焦量Δ为0，所述光程L
→
f+f
o
，此时得到四焦距光路，此时所述差分信号趋近于0。
[0014]一种实现所述的基于共焦光路像素差分的焦面检测方法的基于共焦光路像素差分的焦面检测装置，包括：光源、滤波准直装置、二分之一波片、偏振分光棱镜、四分之一波片、物镜、样品、会聚透镜、分束棱镜、图像传感器一、图像传感器二；
[0015]所述光源、滤波准直装置、二分之一波片、偏振分光棱镜、四分之一波片、物镜、样品依次共轴布置；所述偏振分光棱镜、会聚透镜、分束棱镜依次共轴线布置，且该轴线与所述物镜的光轴垂直；
[0016]所述光源用于射出光线，所述滤波准直装置用于将初始光线转化为平行平顶光束，所述二分之一波片和偏振分光棱镜用于调整所述平行平顶光束的光强，并将所述平行平顶光束变为水平线偏光；所述四分之一波片用于改变所述水平线偏光的偏振方向，使得到的垂直线偏光能在所述偏振分光棱镜发生全反射；所述会聚透镜用于使光束聚焦，所述分束棱镜将光束分为两路，两路光束分别被所述图像传感器一、图像传感器二接收。
[0017]进一步地，还包括三维高精度工作台，所述样品固定安装在所述三维高精度工作台上，所述三维高精度工作台带动所述样品进行三维运动，用于调整所述离焦量，实现跟焦补偿。
[0018]进一步地，所述物镜选取数值孔径大于0.95、放大倍数高于50的，用于获得更高的检焦灵敏度。
[0019]进一步地，所述图像传感器一和图像传感器二所拍摄到的光斑的半径，为光斑的强度半峰全宽。
[0020]进一步地，所述平行平顶光束在传播过程中由于光的衍射影响，对所述差分信号的处理使用图像处理算法对所述图像传感器一和图像传感器二获得的光斑信号进行优化。
[0021]本专利技术的有益效果是：
[0022](1)本专利技术方法所用光路虽同为共焦光路，但在检测时避免采用针孔，减少了光的衍射产生的影响，装置结构简单，调试更为方便；
[0023](2)本专利技术方法充分结合了共焦法检焦的高灵敏度优点和像散法检焦的大范围特
点，可实现不牺牲灵敏度的前提下增加检焦区间；
[0024](3)本专利技术所用光路未采用复杂的光场调制器件，比如衍射光学元件、空间光调制器，使得系统的稳定性和抗干扰性大幅提升；
[0025](4)本专利技术可根据系统所需要的检焦精度，灵活的选取物镜的光学参数，可做到大范围粗检焦或小范围精检焦。
附图说明
[0026]图1是本专利技术基于共焦光路像素差分的焦面检测装置原理图。
[0027]图2是本专利技术基于共焦光路像素差分的焦面检测方法流程图。
[0028]图3是根据系统设计要求的检焦范围
±
M计算图像传感器位置参数u1和u2的光路图，其中，(a)为离焦量+M时计算参数u2的光路图，(b)为离焦量
‑
M时计算参数u2的光路图。
[0029]图4是确定两路图像传感器CCD位置后的离焦状态光路图，其中，(a)为正离焦状态光路图，(b)为负离焦状态光路图。
[0030]图5是确定位置后两路图像传感器CCD探测到的光斑及差分信号示意图。
[0031]图6是根据本实施例给出的关本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于共焦光路像素差分的焦面检测方法，其特征在于，平行光束经物镜照射在样品表面，所述平行光束经所述样品的表面反射后，再次通过所述物镜，通过所述物镜的光束经会聚透镜聚焦后，被两图像传感器CCD1、CCD2接收；多次改变样品平面的位置，每次测量图像传感器CCD1接收到的光斑半径和图像传感器CCD2接收到的光斑半径r2，分别代入公式(1)，计算得到离焦量Δ、会聚透镜和物镜之间的光程L；并对r1和r2作差，得到差分信号F(Δ)的值；根据得到的多组r1、r2、F(Δ)和Δ的数据，对F(Δ)和Δ进行拟合，得到差分信号F(Δ)与离焦量Δ的对应关系；式中，f
o
为所述物镜的有效焦距，f为所述会聚透镜的焦距，M为所述离焦量Δ的最大值，r
o
为入射到所述物镜的主平面的光斑半径。2.根据权利要求1所述的基于共焦光路像素差分的焦面检测方法，其特征在于，所述M为人工选择的值，所述离焦量Δ的范围为
‑
M≤Δ≤M；若此时CCD1和CCD2上的光斑尺寸小于CCD靶面尺寸，则继续进行后续步骤；否则，重新选择M。3.根据权利要求1所述的基于共焦光路像素差分的焦面检测方法，其特征在于，所述CCD1和CCD2分别位于所述会聚透镜焦点的两侧，且所述CCD1、CCD2均能接收到经会聚透镜聚焦后的光束。4.根据权利要求1所述的基于共焦光路像素差分的焦面检测方法，其特征在于，当所述物镜的焦点位于所述样品和所述物镜之间时，所述离焦量Δ为正；当所述物镜的焦点位于所述样品表面时，所述离焦量Δ为0；否则，所述离焦量Δ为负。5.根据权利要求1所述的基于共焦光路像素差分的焦面检测方法，其特征在于，调整离焦量Δ为0，所述光程L
→
f+f
o
，此时得到四焦距光路，此时所述差分信号趋近于0。6.一种实现权利要求1～5任意一项所述的基于共焦光路像素差分的焦面检测方法的基于共焦光路像素差分的焦面检测装置，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：匡翠方，彭伏平，丁晨良，孙琦，樊吴申，温积森，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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