專利名稱：微陣列三維面形并行共焦檢測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于光學檢測裝置。
現(xiàn)有的最具代表性的三維檢測共焦成像裝置是共焦激光掃描顯微鏡(CLSM，Confocal Laser Scanning Microscope)。圖1是該裝置的共焦激光掃描光學系統(tǒng)的主要結構。它主要依次由處于同一條中心光軸線上的光源1、小孔光闌2、分束器3、二維光束掃描器4、物鏡5構成。在中心光軸線以外有與分束器3相對應的探測器7和探測光闌8。在該裝置的共焦系統(tǒng)中，激光光源1被聚焦在物體的一個點上。二維光束掃描器4由兩個振鏡構成，分別執(zhí)行在二維(x，y)平面上對x方向和y方向上的掃描。從物體表面散射回來的光線經同一物鏡5、二維光束掃描器4和分束器3成像在探測光闌8的平面上，并由其后方的探測器7接收。如果讓系統(tǒng)沿Z方向改變其共焦平面的位置，即可得到被測物體一系列剖面的共焦像。對于一個平面上固定的(x，y)坐標點，其共焦像序列的強度值隨Z改變有一個分布，而最大強度所對應的Z值，正是該(x，y)點的第三維坐標Z。因此，尋找平面上每一個點(x，y)的最大強度值，就可以獲得完整的三維圖像。這就是CLSM的工作原理。目前，CLSM已在材料學、生物醫(yī)學等領域得到應用。例如，用于眼底測量的眼底層析儀(HEIDELBERG RETINA TOMOGRAPH)。但是，現(xiàn)有的CLSM制造工藝相當復雜，費用十分昂貴，比如，眼底層析儀的價格一般在20萬美元左右。并且，其功能不多，很難在我國推廣。此外，由于該裝置只能單點掃描，而對一個平面完成單點掃描，需要花去一定的時間才能完成，從平面的起始到平面的終結有一段時間間隔，因而，難以準確檢測活動物體，對動態(tài)系統(tǒng)的檢測有較大的誤差。
本實用新型的目的是針對現(xiàn)有類似裝置的單點掃描時間間隔長等不足之處，提供一種微光學陣列三維面形并行共焦檢測新裝置，以實現(xiàn)對動態(tài)系統(tǒng)三維面形的同時準確檢測，并可簡化操作過程和制造工藝，降低成本，擴大該裝置的實用范圍。
本實用新型的目的是通過下述方案實現(xiàn)的。
微陣列三維面形并行共焦檢測裝置，它主要依次由中心點處于同一條中心光軸線上的光源、小孔光闌、準直透鏡、微光學陣列合成器、半反半透鏡、物鏡構成。其中，光源、準直透鏡、微光學陣列合成器及物鏡各自所在平面均垂直于中心光軸線、并相互平行。半反半透鏡的中心點位于中心光軸線上，半反半透鏡所在平面則與物鏡的所在平面相交成45°。在中心光軸線以外還有一塊CCD面陣，該面陣的中心點與半反半透鏡的中心點之間的連線垂直并相交于中心光軸線，并且，該連面與半反半透鏡反射面始終相對。在此條件下，CCD面陣可以處于半反半透鏡的上方、下方、左方、或右方，與其相對應，半反半透鏡所在平面與物鏡所在平面之間的夾角相應地可以位與中心光軸線的下方、上方、右方、或左方。
本實用新型的實施例結合附圖說明給出。


圖1、現(xiàn)有共焦激光掃描顯微鏡結構示意圖；圖2、微陣列三維面形并行共焦檢測裝置主體結構示意圖；圖3、本實用新型結構I中心結構左視圖；圖4、本實用新型結構II中心結構左視圖；圖5、本實用新型結構III中心結構俯視圖；圖6、本實用新型結構IV中心結構俯視圖。
圖中序號含義1、光源，2、小孔光闌，3、分束器，4、二維光束掃描器，5、物鏡，6、被測物面，7、探測器，8、探測光闌，9、準直物鏡，10、微光學陣列合成器，11、半反半透鏡，12、中心光軸線，13、反射光軸線，14、CCD面陣。
實施例1本實用新型結構I(圖3)。
本實用新型的關鍵結構是微光學陣列合成器10、半反半透鏡11、物鏡5、CCD面陣14以及它們的相對位置。本實施例為本實用新型結構I，圖3顯示了本實用新型結構I的中心結構。其結構是微光學陣列合成器10所在平面與物鏡5所在平面相互平行、并均垂直于中心光軸線12；半反半透鏡11所在平面與物鏡5所在平面的夾角為45°、位于中心光軸線12的正上方；CCD面陣14位于半反半透鏡11及中心光軸12的正下方。
本實用新型所使用的微光學陣列合成器10為申請人浙江工業(yè)大學于1997年2月12日向中國專利局所提出的實用新型專利申請——“微光學陣列合成器件”，專利申請?zhí)?7210955.2。它含有微透鏡列陣、小孔濾波列陣、玻璃基底和固定架。其中，固定架由上、下、左、右四塊擋光材料構成，每塊擋光材料的一側開有2條間距為d的槽。小孔濾波列陣設置在玻璃基底上，微透鏡列陣和設置有小孔濾波列陣的玻璃基底分別插入固定在間距為d的前后兩條槽中。小孔濾波列陣與微透鏡列陣相匹配，即小孔的間距與微透鏡列陣的焦點間距相等，小孔的大小與微透鏡焦斑大小相等，該兩列陣的間距d是微透鏡的焦距f(d＝f)。
在本實施列中，微光學陣列合成器10的主要參數(shù)為40×40單元，單元間距100μm，無死區(qū)析射型微透鏡焦距1.44±0.01mm。物鏡5的焦距為9.6cm，直徑為5cm。CCD面陣14為德國產VideV EUROLINE的攝緣頭，面陣像元512×512個單元，單元尺寸14平方微米。半反半透鏡11為一側面積是7平方厘米的半反半透棱鏡。
實施例2本實用新型結構II(圖4)。
本實施例為本實用新型結構II，圖4顯示了本實用新型結構II的中心結構。其結構是微光學陣列合成器10所在平面與物鏡5所在平面相互平行、并均垂直于中心光軸線12；半反半透鏡11所在平面與物境5所在平面的夾角為45°、位于中心光軸線12的正下方；CCD面陣14位于半反半透鏡11及中心光軸線12的正上方。本實施例的其他內容與實施例1相同。
實施例3本實用新型結構III(圖5)。
本實施例為本實用新型結構III，圖5顯示了本實用新型結構III的中心結構。其結構是微光學陣列合成器10所在平面與物鏡5所在平面相互平行，并均垂直于中心光軸線12；半反半透鏡11所在平面與物鏡5所在平面的夾角為45°、位于中心光軸線12的正右方；CCD面陣14位于半反半透鏡11及中心光軸線12的正左方。本實施例的其他內容與實施例1相同。
實施例4本實用新型結構IV(圖6)。
本實施例為本實用新型結構IV，圖6顯示了本實用新型結構IV的中心結構。其結構是微光學陣列含成器10所在平面與物鏡5所在平面相互平行、并均垂直于中心光軸線12；半反半透鏡11所在平面與物鏡5所在平面的夾角為45°、位于中心光軸線12的正左方；CCD面陣14位于半反半透鏡11及中心軸線12的正右方。本實施例的其他內容與實施例1相同。
本實用新型中，所的提到的上、下、左、右方向均為相對概念，它們的判斷基準是以被測物面6為正前方、以光源1為正后方；判斷者處于被測物面6的位置、面對光源1。事實上，根據(jù)本實用新型的技術方案，CCD面陣可以在中心光軸線周圍的任意位置，只要它滿足與其他部件的相互關系即可。
本實用新型的工作原理來自光源1的光經準直透鏡9變成為平行光束，平行光束穿過微光學陣列合成器10即可獲得相當于處于同一個平面內的若干點光源陣列。通過物鏡5的前后移動，使該點光源陣列投影成像在物鏡5另一側的被測物體6的不同橫截面上。只有那些處于被測物體6表面與點光源像重合位置上的點光源的光強才能足以反射回去，穿過物鏡5、被處于45°的半反半透鏡11反射成像在CCD面陣14上對應的像元上。相反，另一些處于被測物體6表面與點光源像不重合位置上的點光源，只能彌散成一個光斑，反射后只有較小的光強被CCD面陣14上對應的像元所接收。經若干次使物鏡5前后移動，對被測物體6進行若干個并行斷層橫截面投影，即可使CCD面陣接收到來自若干不同平面的、并在不同像元上顯示出相對應的被測物點的不同光強的分布。由此，即可獲得被測物體的三維信息。通過配置信號轉換放大電路和計算機圖像處理，即可在計算機上實現(xiàn)被測物體的定量三維重構面形圖。
本實用新型的使用發(fā)明人已不公開地按本實用新型技術方案設計了一個裝置，用于測量近視眼角膜的表面形狀。使用單色光源的波長為632.8nm，被測面積為4×4mm2，測量縱向精度為20μm。測量結果，三維重構圖顯示出，在該近視眼角膜的2.2×2.2mm2面積的曲面面形上，其縱向高度為0.58mm。本實用新型可以對動態(tài)系統(tǒng)面形進行三維同時測定，因而，可以廣泛應用于工業(yè)產品制造加工監(jiān)測及生物醫(yī)學檢測等領域中。
本實用新型具有如下特點1、利用微光學列陣可進行被測物剖面平面的并行多點同時投影，可準確記錄被測物面形的三維信息，實現(xiàn)了對動態(tài)系統(tǒng)三維面形的同時準確檢測。
2、用CCD面陣直接接收光強，替代了小孔濾波，因而測量誤差小，實現(xiàn)了毫米至微米級的三維面形檢測，克服了目前三維光電檢測技術在量程上的薄弱范圍。
3、結構簡化，制作容易，操作方便，成本低廉，實用性強，應用范圍廣。
權利要求1.微陣列三維面形并行共焦檢測裝置，其特征是它主要依次由處于同一條中心光軸線上的光源、小孔光闌、準直透鏡、微光學陣列合成器、半反半透鏡、物鏡構成，其中，光源、準直透鏡、微光學陣列合成器及物鏡各自所在平面均垂直于中心光軸線、并相互平行，半反半透鏡所在平面則與物鏡所在平面相交成45°，在中心光軸線以外還有CCD面陣，該面陣的中心點與半反半透鏡的中心點之間的連線垂直并相交于中心光軸線，該連線之長與微光學陣列合成器中心點同半反半透鏡中心點之間的連線長度相等，面陣所在平面平行于中心光軸線、并與半反半透鏡所在平面相交成45°，面陣接收面與半反半透鏡反射面始終相對。
2.按照權利要求1的檢測裝置，其特征是CCD面陣可以處于半反半透鏡的上方、下方、左方、或右方，半反半透鏡所在平面與物鏡所在平面之間的夾角相應地可以位于中心光軸線的下方、上方、右方、或左方。
專利摘要微陣列三維面形并行共焦檢測裝置,依次由處于同一條中心光軸上的光源、小孔光闌、準直透鏡、微光學陣列合成器、半反半透鏡、物鏡構成。除半反半透鏡為45°傾斜外,其余各部件所在平面相互平行并均垂直于中心光軸。CCD面陣所在平面平行于中心光軸、其接收面正對半反半透鏡反射面。本裝置可動態(tài)系統(tǒng)三維面形進行同時準確測定、誤差小,結構簡單,制作容易,操作方便,成本低廉,實用性強,應用范圍廣。
文檔編號G02B27/22GK2293844SQ9721007
公開日1998年10月7日 申請日期1997年4月8日 優(yōu)先權日1997年4月8日
發(fā)明者田維堅, 郭履容, 陳波, 王輝, 李勇, 唐繼躍 申請人:四川聯(lián)合大學