基于柱透镜光路的线扫描差动共焦测量装置，属于微观测量技术领域。它解决了差动共焦检测技术在进行三维测量时，测量效率低的问题。激光器产生的激光束通过聚焦透镜汇聚于针孔，经滤波后经过准直扩束透镜扩束再经矩形光阑入射至第一分光镜，第一分光镜的透射光束入射至探测聚焦柱透镜，在探测聚焦柱透镜的像方焦平面上形成线聚集；由被测样本反射后的光束经过探测聚焦柱透镜透射后，经第一分光镜的光束入射至第二分光镜，第二分光镜的透射光束经过第一收集柱透镜后线聚焦至第一线阵点探测器的光敏面上；第二分光镜的反射光束经过第二收集柱透镜后线聚焦至第二线阵点探测器的光敏面上。本发明专利技术适用于差动共焦检测。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于柱透镜光路的线扫描差动共焦测量装置，属于微观测量
技术介绍
共焦显微成像技术的基本思想是通过引入针孔探测器抑制杂散光，并产生轴向层析能力，该技术通过逐点的对样品的X-Y面进行二维扫描测量，获得当前X-Y面的图像，再对样品进行Z向(轴向)扫描，并对下一 X-Y面进行逐点二维扫描，以此类推，通过将获得的二维图像进行“堆叠”处理，得到样品的三维重构图像。由于这种测量方法十分耗时，为提高共焦检测技术的测量效率，人们在此基础上提出了用狭缝探测代替点探测进行共焦测量的方法。用狭缝探测进行共焦测量的方法大大提高了样品X-Y面的扫描检测速度，但由于该方法的前端光路采用的是圆对称光路，使得在狭缝探测器接收端的光强分布不均勻， 中心光强明显高于狭缝边缘处的光强，从而导致了最终的测量误差。2002年6月，吴开杰、李刚等在《基于线扫描方式的激光共焦显微镜的研究》(吴开杰、李刚、虞启琏、金霞，仪器仪表学报，第23卷第3期增刊)中，提出了用柱透镜代替圆透镜的共焦检测技术，该方法使探测器接收端的光强分布更加均勻，并且显著提高了横向量程范围，提高了共焦检测技术的测量效率。但该方法采用的顶点层析方式，使系统轴向分辨力低，并且三维测量效率低下。差动共焦检测技术将差动检测引入了共焦显微检测技术中，它采用两路差动探测信号对传统的共焦光路进行改进。相对于传统共焦检测技术，差动共焦检测技术具有独特的零点跟踪特性，具有高轴向分辨力和二倍于传统共焦的轴向响应线性区间。当采用零点层析测量方法时，差动共焦检测技术提供大大高于传统共焦顶点层析测量方法的轴向分辨力；当采用轴向响应线性区间测量方法时，差动共焦检测技术提供二倍于传统共焦的轴向量程和远远高于传统共焦的轴向分辨力，此外当样品轴向尺寸小于轴向响应线性区间大小时，通过一次横向扫描即可获得样品的三维表面信息。因此，差动共焦轴向响应线性区间测量方法能够测量的样品轴向尺寸可达到传统共焦线性区间测量方法的两倍，轴向分辨力也得到了显著提高，并且相对于零点层析方法具有较高的测量效率。但采用差动共焦检测技术进行三维测量时，仍需要对样品的X-Y面进行逐点扫描，测量效率仍然低下。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决差动共焦检测技术在进行三维测量时，测量效率低的问题，提供一种基于柱透镜光路的线扫描差动共焦测量装置。本专利技术包括在同轴光路上依次设置的激光器、聚焦透镜、针孔和准直扩束透镜，它还包括矩形光阑、第一分光镜、第二分光镜、探测聚焦柱透镜、第一收集柱透镜、第二收集柱透镜、第一线阵点探测器和第二线阵点探测器，激光器产生的激光束通过聚焦透镜汇聚于针孔，经针孔滤波后的点光源经过准直扩束透镜扩束后，再经矩形光阑入射至第一分光镜，经第一分光镜透射后的透射光束入射至探测聚焦柱透镜，并在探测聚焦柱透镜的像方焦平面上形成线聚集，用于对设置于探测聚焦柱透镜的像方焦平面上的被测样本进行线照明；由被测样本反射后的光束经过探测聚焦柱透镜透射后，再经第一分光镜反射的光束入射至第二分光镜，第二分光镜的透射光束经过第一收集柱透镜后线聚焦至第一线阵点探测器的光敏面上，第一线阵点探测器设置于第一收集柱透镜的焦前位置；第二分光镜的反射光束经过第二收集柱透镜后线聚焦至第二线阵点探测器的光敏面上，第二线阵点探测器设置于第二收集柱透镜的焦后位置；第一线阵点探测器和第二线阵点探测器的离焦量相等。本专利技术的优点是一 本专利技术采用柱透镜对差动共焦测量光路进行一维扩展实现了线扫描，同时利用差动共焦轴向响应特性曲线线性区间测量方法具有大轴向量程、高轴向分辨力的特点， 将柱透镜引入差动共焦系统后的柱透镜差动共焦检测技术既具有大轴向量程、高轴向分辨力的优点，又可通过一次Y向(或X向)扫描即可实现对被测样品的测量，形成对大尺寸微结构元件的快速测量能力；二 本专利技术采用准直扩束透镜将激光束的直径扩大，实现了对被测样本表面照明范围的扩展；准直扩束透镜的出射光在被分光前使用矩形光阑遮挡掉光束的边缘部分，使最终经过探测聚焦柱透镜后，对被测样本进行照明的光束强度分布更加均勻，更利于基于柱透镜光路线扫描的共焦检测轴向测量，降低了因测量光强分布不均勻导致的测量误差；三采用线阵点探测器使基于柱透镜光路的线扫描差动共焦检测技术具有三维分辨能力；线阵点探测器可以实现对探测面线聚焦光束的对应点探测，从而使柱透镜没有光焦度方向的分辨能力，通过将探测到的各点信号进行重构即可得到被测样品的三维表面信息，实现了柱透镜差动共焦测量系统的三维测量；此外相较于线阵CCD探测器，采用线阵点探测器可以实现对微弱信号的探测，进而提高测量精度。本专利技术通过对被测样本进行一维扫描运动即可获得其三维形貌，大大提高了测量效率；可用于大尺寸微结构光学元件、微结构机械元件、集成电路元件中三维微细结构的检测，并达到高精度、非接触及三维快速检测的目的。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图中-Um表示离焦量。图2为所述线阵点探测器的结构示意图；图3为图1中被测样本的左视图，箭头y表示被测样本的移动方向；图4为本专利技术装置的等效光路图；图5为经过矩形光阑的理想平面波入射至探测聚焦柱透镜的衍射光斑示意图；图6为本专利技术的柱透镜共焦与传统圆透镜共焦的横向响应特性对比曲线图；图7为本专利技术的柱透镜共焦与传统圆透镜共焦的轴向响应特性对比曲线图；图8为本专利技术装置的轴向差动响应特性曲线图。具体实施例方式具体实施方式一下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式包括在同轴光路上依次设置的激光器1、聚焦透镜2、针孔3和准直扩束透镜4，它还包括矩形光阑5、第一分光镜6-1、第二分光镜6-2、探测聚焦柱透镜7、第一收集柱透镜8-1、第二收集柱透镜8-2、第一线阵点探测器9-1和第二线阵点探测器9-2，激光器1产生的激光束通过聚焦透镜2汇聚于针孔3，经针孔3滤波后的点光源经过准直扩束透镜4扩束后，再经矩形光阑5入射至第一分光镜6-1，经第一分光镜6-1透射后的透射光束入射至探测聚焦柱透镜7，并在探测聚焦柱透镜7的像方焦平面上形成线聚集，用于对设置于探测聚焦柱透镜7的像方焦平面上的被测样本10进行线照明；由被测样本10反射后的光束经过探测聚焦柱透镜7透射后，再经第一分光镜6-1 反射的光束入射至第二分光镜6-2，第二分光镜6-2的透射光束经过第一收集柱透镜8-1后线聚焦至第一线阵点探测器9-1的光敏面上，第一线阵点探测器9-1设置于第一收集柱透镜8-1的焦前位置；第二分光镜6-2的反射光束经过第二收集柱透镜8-2后线聚焦至第二线阵点探测器9-2的光敏面上，第二线阵点探测器9-2设置于第二收集柱透镜8-2的焦后位置；第一线阵点探测器9-1和第二线阵点探测器9-2的离焦量相等。本实施方式中的矩形光阑5、探测聚焦柱透镜7、第一收集柱透镜8-1、第一线阵点探测器9-1、第二收集柱透镜8-2和第二线阵点探测器9-2构成了柱透镜线扫描差动共焦测量光路，实现了差动共焦显微测量技术的一维扩展，同时保持了差动共焦测量技术大轴向量程、高轴向分辨力的优点；其中探测聚焦柱透镜7位于第一分光镜6-1的透射光路上， 并在被测样本10之前；第一收集柱透镜8-1和第一线阵点探测器9-1依次位于第二分光镜 6-2的透射光路上，第二收集柱透镜8-2和第二线阵点探测器9-本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于柱透镜光路的线扫描差动共焦测量装置，它包括在同轴光路上依次设置的激光器（１）、聚焦透镜（２）、针孔（３）和准直扩束透镜（４），其特征在于：它还包括矩形光阑（５）、第一分光镜（６－１）、第二分光镜（６－２）、探测聚焦柱透镜（７）、第一收集柱透镜（８－１）、第二收集柱透镜（８－２）、第一线阵点探测器（９－１）和第二线阵点探测器（９－２），激光器（１）产生的激光束通过聚焦透镜（２）汇聚于针孔（３），经针孔（３）滤波后的点光源经过准直扩束透镜（４）扩束后，再经矩形光阑（５）入射至第一分光镜（６－１），经第一分光镜（６－１）透射后的透射光束入射至探测聚焦柱透镜（７），并在探测聚焦柱透镜（７）的像方焦平面上形成线聚集，用于对设置于探测聚焦柱透镜（７）的像方焦平面上的被测样本（１０）进行线照明；由被测样本（１０）反射后的光束经过探测聚焦柱透镜（７）透射后，再经第一分光镜（６－１）反射的光束入射至第二分光镜（６－２），第二分光镜（６－２）的透射光束经过第一收集柱透镜（８－１）后线聚焦至第一线阵点探测器（９－１）的光敏面上，第一线阵点探测器（９－１）设置于第一收集柱透镜（８－１）的焦前位置；第二分光镜（６－２）的反射光束经过第二收集柱透镜（８－２）后线聚焦至第二线阵点探测器（９－２）的光敏面上，第二线阵点探测器（９－２）设置于第二收集柱透镜（８－２）的焦后位置；第一线阵点探测器（９－１）和第二线阵点探测器（９－２）的离焦量相等。...
【技术特征摘要】
1.一种基于柱透镜光路的线扫描差动共焦测量装置，它包括在同轴光路上依次设置的激光器(1)、聚焦透镜O)、针孔C3)和准直扩束透镜G)，其特征在于它还包括矩形光阑 (5)、第一分光镜(6-1)、第二分光镜(6- 、探测聚焦柱透镜(7)、第一收集柱透镜(8-1)、第二收集柱透镜(8-2)、第一线阵点探测器(9-1)和第二线阵点探测器(9-2)，激光器(1)产生的激光束通过聚焦透镜( 汇聚于针孔(3)，经针孔C3)滤波后的点光源经过准直扩束透镜(4)扩束后，再经矩形光阑( 入射至第一分光镜(6-1)，经第一分光镜(6-1)透射后的透射光束入射至探测聚焦柱透镜(7)，并在探测聚焦柱透镜(7)的像方焦平面上形成线聚集，用于对设置于探测聚焦柱透镜(7)的像方焦平面上的被测样本(10)进行线照明；由被测样本(10)反射后的光束经过探测聚焦柱透镜(7)透射后，再经第一分光镜 (6-1)反射的光束入射至第二分光镜(6-2)，第二分光镜(6- 的透射光束经过第一收集柱透镜(8-1)后线聚焦至第一线阵点探测器(9-1)的光敏面上，第一线阵点探测器(9-1)设置于第一收集柱透镜(8-1)的焦前位置；第二分光镜(6- 的反射光束经过第二收集柱透镜(8- 后线聚焦至第二线阵点探测器(9-2)的光敏面上，第二线阵点探测器(9- 设置于第二收集柱透镜(8- 的焦...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘俭，谭久彬，唐建波，李镁钰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。