分瞳移焦型共焦顯微差分測(cè)量方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種分瞳移焦型共焦差分測(cè)量方法與裝置，屬于超精密測(cè)量與三維成像領(lǐng)域。該裝置解決了常用的基于偏振分光棱鏡分光的差動(dòng)共焦系統(tǒng)集成度低、兩個(gè)針孔探測(cè)器探測(cè)同步性難以保證的問題。本發(fā)明裝置主要包括線偏振光源系統(tǒng)、棱鏡分光測(cè)量系統(tǒng)、分瞳式相位濾波器共焦探測(cè)系統(tǒng)；該裝置利用一維相位光柵分出兩束完全相同的測(cè)量光束，利用分瞳式相位光瞳濾波器的不同光瞳區(qū)域?qū)崿F(xiàn)光強(qiáng)響應(yīng)軸向正、負(fù)向平移，最后利用CCD相機(jī)實(shí)現(xiàn)同步采集。本發(fā)明方案：根據(jù)相位光瞳濾波器的移焦效應(yīng)原理、光柵衍射分光理論以及軟針孔探測(cè)方法，同時(shí)對(duì)兩路測(cè)量光束實(shí)現(xiàn)正、負(fù)移焦，再進(jìn)行作差計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位置的高精度測(cè)量。本發(fā)明穩(wěn)定性好、同步性高，能實(shí)現(xiàn)共光路、高集成度測(cè)量與成像。
【專利說明】
分瞳移焦型共焦顯微差分測(cè)量方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于分瞳移焦相位光瞳濾波器的共焦測(cè)量方法與裝置，屬于超精 密位移測(cè)量與三維顯微成像領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光共焦顯微成像技術(shù)作為一種具有非接觸、高軸向分辨力的三維成像方法，在 光學(xué)精密測(cè)量領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，在保證其測(cè)量分辨力的基礎(chǔ)上對(duì)其結(jié)構(gòu)的小型化要求 也在不斷提升。
[0003] 為有效提高共焦顯微測(cè)量系統(tǒng)的軸向分辨力，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，其 中較為典型的一種方法是采用差動(dòng)共焦顯微探測(cè)技術(shù)，該方法是利用分光元件對(duì)探測(cè)光束 進(jìn)行分束，改變針孔和探測(cè)器的位置，實(shí)現(xiàn)焦前和焦后探測(cè)。如專利:具有空間分辨力的差 動(dòng)共焦掃描檢測(cè)方法(專利號(hào):ZL200410006359.6)，利用分光棱鏡對(duì)探測(cè)光進(jìn)行分束，將針 孔和探測(cè)器分別放置在分束后的兩束光的焦前與焦后相對(duì)稱的位置，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)共焦顯微測(cè) 量。為進(jìn)一步提高共焦顯微測(cè)量的軸向分辨力，提高成像對(duì)比度，專利:一種差動(dòng)雙區(qū)域共 焦軸向測(cè)量裝置(專利號(hào)：201310229370.8)，提出利用雙區(qū)域比例輸出探測(cè)器接收正負(fù)離 焦后的光強(qiáng)信息，該裝置可有效抑制共焦系統(tǒng)中乘性噪聲，提高了系統(tǒng)軸向分辨力。此外專 利：復(fù)色超分辨差動(dòng)共焦測(cè)量方法與裝置(專利號(hào)：ZL200710301423.7)，專利：差動(dòng)共焦系 統(tǒng)球差測(cè)量方法(專利號(hào)：201210140889.4)均采用兩路探測(cè)針孔對(duì)稱離焦放置，以實(shí)現(xiàn)差 動(dòng)共焦顯微測(cè)量。
[0004]在上述方法中針孔相對(duì)于收集透鏡的焦面位置是其關(guān)鍵所在，實(shí)際應(yīng)用中該位置 的調(diào)整非常困難，如位置調(diào)整不當(dāng)直接影響最后的測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，上述裝置的光 路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易于將其小型化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述差動(dòng)共焦裝置存在的問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種分瞳移焦型共焦顯微差分 測(cè)量方法與裝置，該裝置不僅具備高軸向探測(cè)靈敏度，能夠抑制共焦系統(tǒng)中共模噪聲的影 響;而且可簡(jiǎn)化裝置結(jié)構(gòu)，提高測(cè)量同步性，降低系統(tǒng)裝調(diào)難度。
[0006] 本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種分光瞳式差分共焦測(cè)量裝置，包括激光光源、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、偏振分光棱鏡、1/4 波片、測(cè)量物鏡、一維光柵、分瞳式相位光瞳濾波器、收集物鏡、CCD相機(jī)。
[0008] He-Ne單頻激光器發(fā)出的線偏振光，被準(zhǔn)直擴(kuò)束之后，經(jīng)過偏振分光棱鏡變成P偏 振光，再通過1/4波片，轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚龍A偏振光入射到樣品表面，經(jīng)由樣品反射回到1/4波片， 再次轉(zhuǎn)換為S偏振光經(jīng)由偏振分光棱鏡反射，垂直入射到一維光柵表面，經(jīng)光柵分光后，利 用光闌選取完全相同的±1級(jí)的兩束傾斜平行光;兩束光分別入射到分瞳式相位光瞳濾波 器左右兩邊的光瞳，同時(shí)實(shí)現(xiàn)正移焦與負(fù)移焦，利用CCD相機(jī)對(duì)兩光瞳的光強(qiáng)信息進(jìn)行成 像，最后利用軟針孔處理兩路共焦信號(hào)，通過兩路信號(hào)的差分處理得到被測(cè)物的離焦位置 信息。
[0009] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，選取的一維光柵占空比為1/2,可去除零級(jí)和偶級(jí)次的 相位光柵，將其± 1級(jí)衍射光作為探測(cè)器接收的入射光束，與同一收集鏡相結(jié)合構(gòu)成雙路共 焦顯微系統(tǒng)；
[0010] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，分光瞳式相位光瞳濾波器是2個(gè)關(guān)于入瞳中心對(duì)稱分 布的，能實(shí)現(xiàn)共焦顯微系統(tǒng)軸向響應(yīng)曲線平移的相位光瞳濾波器。
[0011] -種分瞳移焦型共焦顯微差分測(cè)量方法及裝置，其測(cè)量方法如下：
[0012] 首先將被測(cè)樣品表面放置于本裝置的測(cè)量物鏡的焦面附近，由本裝置獲得差分光 強(qiáng)值;然后利用本裝置差分光強(qiáng)值與被測(cè)表面的離焦距離的特性曲線，可獲得被測(cè)面的離 焦距離。理論上，當(dāng)被測(cè)面位于測(cè)量物鏡焦面時(shí)，由本裝置獲得的差分光強(qiáng)值為0。利用這種 分瞳移焦型共焦顯微差分測(cè)量裝置既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)面的位移、表面形貌等幾何量的高精 度測(cè)量，也可以用于物體三維成像。
[0013] 本發(fā)明具有以下顯著特點(diǎn)和有益效果：
[0014] 1、在探測(cè)光路中，采用一維相位光柵作為分光元件，將信號(hào)光分成兩路并經(jīng)過同 一收集鏡，形成雙路信號(hào)輸出，最后由同一CCD對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行采集，該結(jié)構(gòu)緊湊，使系統(tǒng)易 于小型化。
[0015] 2、利用分瞳式相位光瞳濾波器同步實(shí)現(xiàn)兩路共焦信號(hào)軸向響應(yīng)特性的對(duì)稱平移， 根除了以往系統(tǒng)裝調(diào)中針孔軸向位置難以準(zhǔn)確調(diào)整的問題。
[0016] 3、利用CCD相機(jī)構(gòu)成雙路軟針孔探測(cè)器，可同時(shí)采集正、負(fù)移焦的兩路光強(qiáng)信息， 提高了信息采集的同步性;此外，由于系統(tǒng)裝調(diào)中各光學(xué)元件不同軸，被測(cè)面移動(dòng)時(shí)引起光 斑中心橫向位置變化，利用軟針孔代替硬針孔可有效解決光斑位置變化引起的探測(cè)不準(zhǔn)確 的問題。
【附圖說明】
[0017] 附圖1為分瞳移焦型共焦顯微差分測(cè)量裝置圖。
[0018] 圖中件號(hào)說明：1-激光器、2-擴(kuò)束鏡、3-偏振分光棱鏡、4-1/4波片、5-測(cè)量物鏡、6-樣品、7--維光柵、8-分光光闌、9-分瞳式相位光瞳濾波器、10-收集物鏡、11-CXD。
[0019] 附圖2為光柵分光結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2a為一維光柵結(jié)構(gòu)圖以及三維放大圖，圖2b為分光光闌結(jié)構(gòu)圖。
[0021]附圖3為分瞳式相位光瞳濾波器不意圖，a為正光瞳，b為負(fù)光瞳。
[0022]附圖4為分瞳移焦型共焦顯微光路的軸向光強(qiáng)響應(yīng)曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明整體實(shí)施實(shí)例作詳細(xì)說明。其具體實(shí)現(xiàn)過程是：
[0024] 如附圖1所示，首先激光光源1輸出的線偏振光，經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡2變成平行均勻的 較大光斑，光斑經(jīng)過由偏振分光棱鏡3、1/4波片4和測(cè)量物鏡5、樣品6組成的測(cè)量臂，攜帶有 測(cè)量信息的圓偏振光重新穿過1/4波片4轉(zhuǎn)變成S偏振光，通過偏振分光棱鏡3垂直入射到一 維光柵7(如附圖2a所示），入射光發(fā)生衍射，光闌8(如附圖2b所示)選取實(shí)驗(yàn)所需的±1級(jí)衍 射光，遮擋其他級(jí)次的衍射光。分出的+1級(jí)衍射光入射到對(duì)應(yīng)的分瞳式相位光瞳濾波器9 (如附圖3所示）的光瞳區(qū)域，共焦軸向響應(yīng)曲線發(fā)生正向平移;分出的-1級(jí)衍射光入射到對(duì) 應(yīng)的分瞳式相位光瞳濾波器9的光瞳區(qū)域，使共焦軸向響應(yīng)曲線發(fā)生負(fù)向平移。此時(shí)的兩束 光由處于收集物鏡10的焦距處的CCD相機(jī)11同時(shí)成像，完成對(duì)發(fā)生正、負(fù)軸向平移的光強(qiáng)信 息的米集。
[0025] 當(dāng)被測(cè)物表面沿著測(cè)量光光軸在測(cè)量范圍內(nèi)進(jìn)行軸向移動(dòng)時(shí)，可同時(shí)獲得兩路共 焦光強(qiáng)信號(hào)隨位移變化的特性曲線，如附圖4所示，其中I a(U+UM)、Ib(U+ UM)分別為正、負(fù)向 平移的共焦系統(tǒng)軸向響應(yīng)曲線，兩路信號(hào)進(jìn)行相減處理，即可得到差分光強(qiáng)信號(hào)隨被測(cè)物 面離焦量變化的光強(qiáng)分布曲線Id lff(u)，該曲線表征了被測(cè)物表面位置與本裝置的差分光 強(qiáng)信號(hào)的關(guān)系。
[0026] 本實(shí)施實(shí)例中光瞳濾波器為相位型光瞳濾波器，其光瞳函數(shù)為：
[0028] 上式是以子光瞳圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立的函數(shù)，η為分瞳式位相濾波器對(duì)應(yīng)的光瞳， 於表示為相位透過率，r表示子光瞳各個(gè)環(huán)的半徑。
[0029] 利用這種分瞳移焦型共焦顯微差分測(cè)量裝置既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)位移、表面形貌等幾何 量的高精度測(cè)量，也可以用于物體三維成像。
[0030] 對(duì)被測(cè)物位移進(jìn)行測(cè)量的過程主要包括如下步驟：
[0031] 步驟1、首先將被測(cè)物表面放置于本裝置測(cè)量物鏡5的焦面附近，并記錄此時(shí)本裝 置的差分光強(qiáng)值，利用本裝置的差分光強(qiáng)信號(hào)與被測(cè)面位置的關(guān)系獲得當(dāng)前位置值；
[0032]步驟2、當(dāng)被測(cè)物沿軸向移動(dòng)后，利用本裝置獲得該位置處的測(cè)量光強(qiáng)；
[0033]步驟3、利用本裝置的差分光強(qiáng)信號(hào)與被測(cè)面位置的光強(qiáng)關(guān)系，可獲得被測(cè)物的位 置值，從而可獲得被測(cè)物的位移量。
[0034]對(duì)被測(cè)物表面三維形貌進(jìn)行測(cè)量的過程主要包括如下步驟：
[0035] 步驟1、首先將被測(cè)物表面放置于本裝置測(cè)量物鏡5的焦面附近，獲得該掃描點(diǎn)的 位置；
[0036] 步驟2、利用壓電陶瓷微位移裝置使被測(cè)樣品做橫向步進(jìn)移動(dòng)，并移動(dòng)一個(gè)步長；
[0037] 步驟3、利用本裝置獲得該位置的差分光強(qiáng)測(cè)量值Idlff，
[0038] 步驟4、然后利用差分共焦軸向響應(yīng)特性曲線，可以獲得被測(cè)表面該掃描點(diǎn)的位置 值
[0039]步驟5、重復(fù)步驟2~4,對(duì)被測(cè)物表面做二維掃描測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品三維形貌 的測(cè)量。
[0040] 此實(shí)施實(shí)例滿足小型化、高分辨力測(cè)量；同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得共焦軸向響應(yīng)特 性的移焦量可控，提高系統(tǒng)采集同步性，能夠一定程度抑制外界環(huán)境振動(dòng)的影響。
[0041] 以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作了說明，但這些說明不能被理解為限制 本發(fā)明的范圍。
[0042] 本發(fā)明的保護(hù)范圍由隨附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上的改 動(dòng)都是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 分瞳移焦型共焦顯微差分測(cè)量方法，其特征為： 基于共焦顯微系統(tǒng)，在探測(cè)光路中利用一維衍射光柵將攜帶被測(cè)面位置信息的測(cè)量光 分成兩路，經(jīng)過分瞳式相位光瞳濾波器的不同區(qū)域后，分別發(fā)生正、負(fù)向移焦，最后由CCD構(gòu) 成的軟針孔進(jìn)行探測(cè)，在探測(cè)空間上，可同時(shí)獲得兩路具有共輒移焦量的共焦顯微光強(qiáng)信 號(hào)。由以下公式⑴ Ia(u,v)= Ih(u,v)12 X Ih(u+UM,v)12 (2) Ib(u,v)= Ih(u,v) 12 X Ih(u-UM,v)|2 (3) Idiff(u,v) = Ia(u,v)-Ib(u,v)= |h(u,v) |2X ( |h(u+UM,v) 12-1h(u-UM,v) |2) (4) 得到差分共焦光強(qiáng)信號(hào)與樣品表面離焦位置的關(guān)系。h(u，v)表示焦點(diǎn)附近的點(diǎn)擴(kuò)散函 數(shù)，P(p)表示光瞳透過率函數(shù)，土UM表示由于相位光瞳濾波器引入的軸向歸一化離焦量，Ia (U，v)為正光瞳對(duì)應(yīng)共焦系統(tǒng)的探測(cè)光強(qiáng)，Ib(u，v)為負(fù)光瞳對(duì)應(yīng)共焦系統(tǒng)的探測(cè)光強(qiáng)，Idlff (u，v)表不差分共焦光強(qiáng)響應(yīng)。2. 分瞳移焦型共焦顯微差分測(cè)量裝置，其特征在于:包括照明光路和探測(cè)光路，所述的 照明光路沿光束傳播方向依次設(shè)置為:線偏振光源⑴、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡⑵，偏振分光棱鏡(3)、V4 波片⑷、測(cè)量物鏡(5)樣品(6); 所述的探測(cè)光路包括:一維衍射光柵(7)、光闌(8)、分瞳式相位光瞳濾波器(9)、收集物鏡 (10)和CCD相機(jī)(11)構(gòu)成的共焦顯微差分測(cè)量部分。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的分瞳移焦型共焦顯微差分測(cè)量裝置，其特征在于： 分瞳式相位光瞳濾波器為相位型或復(fù)振幅型相位濾波器，其具有移焦效應(yīng)，可改變探 測(cè)光路的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù);分瞳式相位光瞳濾波器是由2個(gè)關(guān)于測(cè)量物鏡入瞳中心對(duì)稱分布的 圓形子光瞳構(gòu)成。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的分瞳移焦型共焦顯微差分測(cè)量裝置，其特征在于： 一維衍射光柵為透射式矩形相位光柵，其占空比為1/2,可獲取等光強(qiáng)的±1級(jí)衍射光， 由此將測(cè)量光分為兩路。
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK105865347SQ201610317209
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月12日
【發(fā)明人】黃向東, 譚久彬, 向小燕
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)