基于熒光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量裝置與方法
【專利摘要】基于熒光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量裝置與方法光學(xué)精密測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種利用差動共焦顯微技術(shù)測量光滑大曲率樣品表面形貌的裝置和方法；該裝置包括照明模塊、第一探測模塊、第二探測模塊和鍍膜樣品；該方法首先使待測樣品成為鍍膜樣品，然后利用照明模塊激發(fā)樣品表面的熒光膜發(fā)出熒光，再分別利用第一探測模塊和第二探測模塊得到的差動響應(yīng)曲線，通過差動響應(yīng)曲線零點來確定鍍膜樣品表面位置，最后形成三維掃描成像，清洗膜，恢復(fù)待測樣品鍍膜前的狀態(tài)；本發(fā)明不僅可以提高測量精度，而且可以提高測量效率，同時還可以降低測量成本。
【專利說明】 基于熒光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量裝置與方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]基于熒光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量裝置與方法光學(xué)精密測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種利用差動共焦顯微技術(shù)測量光滑大曲率樣品表面形貌的裝置和方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著精密加工制造行業(yè)對測量精度要求的提高，光滑大區(qū)率鏡面物體和類鏡面物體的測量受到越來越多的重視。對此類樣品采用光學(xué)三維傳感方法進行測量時，根據(jù)反射定理，只能在于入射光線成特殊夾角方向才能接收到較強光信號，而由于收集物鏡口徑的限制，造成測量分辨率下降，在不增加自由度的情況下無法完成對此類樣品全貌的測量。將傳統(tǒng)共焦顯微技術(shù)、干涉測量技術(shù)、條紋投影技術(shù)配合機械掃描或多角度探測技術(shù)，可以實現(xiàn)對此類樣品全貌的測量，然而，機械掃描與多角度探測器引入數(shù)據(jù)融合帶來的不確定度，使得測量無法準(zhǔn)確高效完成。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述問題，本發(fā)明公開了一種基于熒光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量裝置與方法，該裝置與方法同現(xiàn)有技術(shù)相比，不僅可以提高測量精度，而且可以提高測量效率，同時還可以降低測量成本。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0005]基于熒光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量，包括:
[0006]照明模塊、第一探測模塊、第二探測模塊和鍍膜樣品:
[0007]所述的照明裝置按照照明光傳播方向依次為:激光器、傳導(dǎo)光纖、準(zhǔn)直鏡、光闌、二相色鏡、物鏡和三維微位移載物臺；
[0008]所述的第一探測模塊按照信號光傳播方向依次為:物鏡、二向色鏡、濾光片、分光鏡、收集透鏡一、針孔一和光電探測器一；
[0009]所述的第二探測模塊按照信號光傳播方向依次為:物鏡、二向色鏡、濾光片、分光鏡、收集透鏡二、針孔二和光電探測器二 ；
[0010]所述的照明模塊、第一探測模塊和第二探測模塊共用物鏡與二向色鏡；
[0011]所述的第一探測模塊和第二探測模塊還共用濾光片與分光鏡；
[0012]所述的鍍膜樣品為表面鍍了熒光物質(zhì)薄膜的待測樣品；
[0013]所述的照明模塊中激光器發(fā)出激光，經(jīng)過傳導(dǎo)光纖和準(zhǔn)直鏡之后形成平行光，再經(jīng)過二向色鏡反射和物鏡透射后，在鍍膜樣品上形成聚焦光斑，所述的聚焦光斑激發(fā)樣品表面的熒光膜發(fā)出熒光；
[0014]所述鍍膜樣品表面激發(fā)出的熒光依次經(jīng)過物鏡、二向色鏡、濾光片透射后被分光鏡分為兩束光，一束光經(jīng)過針孔一被光電探測器一收集，另一束光經(jīng)過針孔二被光電探測器二收集。
[0015]上述基于熒光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量裝置，所述的鍍膜樣品表面通過蒸鍍的方法鍍上一層有機熒光物質(zhì)形成熒光膜，所述的熒光膜厚度在0.02 μ m-2 μ m之間，膜在水或酒精、丙酮等有機溶劑中的溶解度大于10g/100g。
[0016]上述基于熒光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量裝置，激光器發(fā)射波長范圍200nm-1200nm,照明光經(jīng)過物鏡后光功率小于1W。
[0017]上述基于熒光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量裝置，所述的針孔一位于收集透鏡焦面之后Ztl處，針孔二位于收集透鏡焦面之前Ztl處。
[0018]在上述基于熒光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量裝置上實現(xiàn)的基于熒光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量方法，包括以下步驟:
[0019]步驟a、通過蒸鍍的方法在待測樣品表面形成一層厚度在0.02 μ m_2 μ m之間的有機熒光膜，使待測樣品成為鍍膜樣品；
[0020]步驟b、激光器發(fā)出激發(fā)光，經(jīng)過傳導(dǎo)光纖和準(zhǔn)直物鏡之后形成平行光，平行光束經(jīng)過二向色鏡反射和物鏡透射后在鍍膜樣品上形成聚焦光斑，所述的聚焦光斑激發(fā)樣品表面的熒光膜發(fā)出熒光；
[0021 ] 步驟c、熒光膜激發(fā)出的熒光經(jīng)過光電探測器一和光電探測器二收集后，兩路信號進行差分運算得到差動響應(yīng)曲線，通過差動響應(yīng)曲線零點來確定鍍膜樣品表面位置；
[0022]步驟d、三維微位移載物臺帶動鍍膜樣品三維移動，形成三維掃描成像；
[0023]步驟e、將鍍膜樣品溶于水或酒精、丙酮等有機溶劑，清洗膜，恢復(fù)待測樣品鍍膜前的狀態(tài)。
[0024]有益效果:本發(fā)明能夠全貌測量光滑大區(qū)率鏡面物體和類鏡面物體表面形貌，同現(xiàn)有方法相比，由于無需結(jié)合機械掃描與多角度探測器技術(shù)，因此可以避免機械掃描與多角度探測器技術(shù)帶來的不確定度，提高測量精度；由于節(jié)省了數(shù)據(jù)融合的步驟，因此可以提高測量效率；由于省略了機械掃描裝置或多探測器，因此又降低了成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明基于熒光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖2是本發(fā)明基于熒光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量方法流程圖。
[0027]圖中:1激光器、2傳導(dǎo)光纖、3準(zhǔn)直鏡、4光闌、5 二相色鏡、6物鏡、7鍍膜樣品、8三維微位移載物臺、9濾光片、10分光鏡、11收集透鏡一、12針孔一、13光電探測器一、14收集透鏡二、15針孔二、16光電探測器二。

【具體實施方式】
[0028]根據(jù)本發(fā)明的一具體實施例，提供一種基于突光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量裝置，用于光滑大曲率樣品的表面形貌。
[0029]請參照圖1，圖1為本發(fā)明的基于熒光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量裝置的實施例示意圖。如圖1所示，本裝置包括照明模塊、第一探測模塊、第二探測模塊和鍍膜樣品。在此實施例中，照明裝置按照照明光傳播方向依次為:激光器1、傳導(dǎo)光纖2、準(zhǔn)直鏡
3、光闌4、二相色鏡5、物鏡6和三維微位移載物臺8 ;第一探測模塊按照信號光傳播方向依次為:物鏡6、二向色鏡5、濾光片9、分光鏡10、收集透鏡一 11、針孔一 12和光電探測器一13 ;第二探測模塊按照信號光傳播方向依次為:物鏡6、二向色鏡5、濾光片9、分光鏡10、收集透鏡二 14、針孔二 15和光電探測器二 16。照明模塊、第一探測模塊和第二探測模塊共用物鏡6與二向色鏡5 ;第一探測模塊和第二探測模塊還共用濾光片9與分光鏡10 ;鍍膜樣品7為表面鍍了熒光物質(zhì)薄膜的待測樣品。
[0030]照明模塊中激光器I發(fā)出激光，經(jīng)過傳導(dǎo)光纖2和準(zhǔn)直鏡3之后形成平行光，再經(jīng)過二向色鏡5反射和物鏡6透射后，在鍍膜樣品7上形成聚焦光斑，所述的聚焦光斑激發(fā)樣品表面的熒光膜發(fā)出熒光；鍍膜樣品7表面激發(fā)出的熒光依次經(jīng)過物鏡6、二向色鏡5、濾光片9透射后被分光鏡10分為兩束光，一束光經(jīng)過針孔一 12被光電探測器一 13收集，另一束光經(jīng)過針孔二 15被光電探測器二 16收集。
[0031]鍍膜樣品7表面通過蒸鍍的方法鍍上一層有機突光物質(zhì)形成突光膜,突光膜厚度在0.02μπι-2μπι之間，膜在水或酒精、丙酮等有機溶劑中的溶解度大于10g/100g。激光器發(fā)射波長范圍200nm-1200nm，照明光經(jīng)過物鏡后光功率小于1W。針孔一 12位于收集透鏡11焦面之后Ztl處，針孔二 15位于收集透鏡14焦面之前Ztl處。
[0032]根據(jù)本發(fā)明的一具體實施例，提供一種基于突光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量方法，用于光滑大曲率樣品的表面形貌。
[0033]該實施例的流程圖如圖2所示，包括以下步驟:
[0034]步驟a、通過真空蒸鍍的方法在待測樣品表面形成一層厚度在0.02 μ m_2 μ m之間的有機熒光膜，使待測樣品成為鍍膜樣品7 ；
[0035]步驟b、激光器I發(fā)出激發(fā)光，經(jīng)過傳導(dǎo)光纖2和準(zhǔn)直物鏡3之后形成平行光，平行光束經(jīng)過二向色鏡5反射和物鏡6透射后在鍍膜樣品7上形成聚焦光斑，所述的聚焦光斑激發(fā)樣品表面的熒光膜發(fā)出熒光；
[0036]步驟C、熒光膜激發(fā)出的熒光經(jīng)過光電探測器一 13和光電探測器二 16收集后，兩路信號進行差分運算得到差動響應(yīng)曲線，通過差動響應(yīng)曲線零點來確定鍍膜樣品表面位置；
[0037]步驟d、三維微位移載物臺8帶動鍍膜樣品7三維移動，形成三維掃描成像；
[0038]步驟e、將鍍膜樣品7溶于水或酒精、丙酮等有機溶劑，清洗膜，恢復(fù)待測樣品鍍膜前的狀態(tài)。
[0039]本發(fā)明不局限于上述最佳實施方式，任何人應(yīng)該得知在本發(fā)明的啟示下作出的結(jié)構(gòu)變化或方法改進，凡是與本發(fā)明具有相同或相近的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.基于熒光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量，其特征在于，包括: 照明模塊、第一探測模塊、第二探測模塊和鍍膜樣品: 所述的照明裝置按照照明光傳播方向依次為:激光器(I)、傳導(dǎo)光纖(2)、準(zhǔn)直鏡(3)、光闌(4)、二相色鏡(5)、物鏡(6)和三維微位移載物臺(8)； 所述的第一探測模塊按照信號光傳播方向依次為:物鏡￠)、二向色鏡(5)、濾光片(9)、分光鏡(10)、收集透鏡一 (11)、針孔一 (12)和光電探測器一 (13)； 所述的第二探測模塊按照信號光傳播方向依次為:物鏡￠)、二向色鏡(5)、濾光片(9)、分光鏡(10)、收集透鏡二(14)、針孔二 (15)和光電探測器二 (16)； 所述的照明模塊、第一探測模塊和第二探測模塊共用物鏡￠)與二向色鏡(5)； 所述的第一探測模塊和第二探測模塊還共用濾光片(9)與分光鏡(10)； 所述的鍍膜樣品(7)為表面鍍了熒光物質(zhì)薄膜的待測樣品； 所述的照明模塊中激光器(I)發(fā)出激光，經(jīng)過傳導(dǎo)光纖(2)和準(zhǔn)直鏡(3)之后形成平行光，再經(jīng)過二向色鏡(5)反射和物鏡(6)透射后，在鍍膜樣品(7)上形成聚焦光斑，所述的聚焦光斑激發(fā)樣品表面的熒光膜發(fā)出熒光； 所述鍍膜樣品(7)表面激發(fā)出的熒光依次經(jīng)過物鏡￠)、二向色鏡(5)、濾光片(9)透射后被分光鏡(10)分為兩束光，一束光經(jīng)過針孔一(12)被光電探測器一(13)收集，另一束光經(jīng)過針孔二(15)被光電探測器二(16)收集。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熒光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量裝置，其特征在于，所述的鍍膜樣品(7)表面通過蒸鍍的方法鍍上一層有機熒光物質(zhì)形成熒光膜，所述的熒光膜厚度在0.02 μ m-2 μ m之間，膜在水或酒精、丙酮等有機溶劑中的溶解度大于10g/100g。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熒光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量裝置，其特征在于，激光器發(fā)射波長范圍200nm-1200nm，照明光經(jīng)過物鏡后光功率小于1W。
4.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的基于熒光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量裝置，其特征在于，所述的針孔一(12)位于收集透鏡(11)焦面之后Ztl處，針孔二(15)位于收集透鏡(14)焦面之前Ztl處。
5.在權(quán)利要求1所述的基于熒光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量裝置上實現(xiàn)的基于熒光差動共焦技術(shù)的光滑大曲率樣品測量方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟a、通過蒸鍍的方法在待測樣品表面形成一層厚度在0.02 μ m-2 μ m之間的有機熒光膜，使待測樣品成為鍍膜樣品(7)； 步驟b、激光器(I)發(fā)出激發(fā)光，經(jīng)過傳導(dǎo)光纖(2)和準(zhǔn)直物鏡(3)之后形成平行光，平行光束經(jīng)過二向色鏡(5)反射和物鏡(6)透射后在鍍膜樣品(7)上形成聚焦光斑，所述的聚焦光斑激發(fā)樣品表面的熒光膜發(fā)出熒光； 步驟C、熒光膜激發(fā)出的熒光經(jīng)過光電探測器一(13)和光電探測器二(16)收集后，兩路信號進行差分運算得到差動響應(yīng)曲線，通過差動響應(yīng)曲線零點來確定鍍膜樣品表面位置； 步驟d、三維微位移載物臺(8)帶動鍍膜樣品(7)三維移動，形成三維掃描成像； 步驟e、將鍍膜樣品(7)溶于水或酒精、丙酮等有機溶劑，清洗膜，恢復(fù)待測樣品鍍膜前的狀態(tài)。
【文檔編號】G01B11/24GK104296686SQ201410617215
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月5日
【發(fā)明者】劉儉, 譚久彬, 劉辰光, 張賀 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)