一种激光差动共焦显微测控系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于共焦显微领域，尤其涉及一种激光差动共焦显微测控系统，该系统功能良好，性能稳定，具有高分辨率、高精度、绝对位置瞄准、双极性跟踪能力及测量范围大等优点，可以广泛应用于生物医学工程、材料工程、微电子制造、基因工程和精密测量等领域。
【背景技术】
[0002]随着航空航天、汽车工业和先进制造业的飞速发展，对大尺寸自由曲面高精度实时三维形貌测量的要求越来越迫切。传统的接触式形貌测量方法测量范围有限，容易对被测物体表面造成损伤，而且测量速度慢、效率低，测量过程难以实现自动化。光学非接触三维形貌测量由于具有非接触、自动化、高精度、高效率等优点，被广泛应用于工件的加工制造、缺陷检测和文物保护等领域。随着激光技术、计算机技术的不断发展，20世纪80年代第一台商业化共焦显微镜问世，真正实现了三维立体成像。共焦显微镜具有极其明显的优点:共焦显微镜能对物体的不同层面进行逐层扫描，从而获得大量的物体断层图像；获得的数据可以利用计算机进行图像处理；同时，共焦显微镜具有较高的横向分辨率和纵向分辨率；对于透明和半透明物体，可以得到其内部的结构图像；还可以对活体细胞进行观察，获取活细胞内的信息，并对获得的信息进行定量分析。
[0003]相比较传统的光学显微技术，共焦光路可以进行三维成像，其轴向定位测量主要通过其“钟形”轴向定焦曲线实现，但现有共焦光路利用光强度响应直接进行测量时，存在多方面不足，如信噪比低，易受环境背景光干扰；线性度差，易受强度响应曲线ab段的非线性影响，降低层析精度；测量无绝对零点，不便于进行绝对跟踪测量；易受样品倾斜和表面粗糙特性影响，不利于微纳尺度的高精度测量；横向分辨能力与轴向分辨力不匹配，轴向分辨能力已达纳米量级，而横向分辨力仅达0.4 μ m左右(针对可见光)，其结果严重限制了共焦显微系统空间分辨能力的提高等等。
[0004]由于存在上述原理性缺陷，现有共焦显微镜已不能满足当代科学研究对光学高分辨和高层析成像能力的测量需求，在日益精细的微光机电微纳器件测试、集成电路晶圆及掩模板的几何尺寸及缺陷检测、激光核聚变空心透明靶球内外轮廓及壁厚高分辨检测、材料亚表面缺陷检测等众多测试领域，不仅要求共焦显微系统具有极高的轴向分辨能力，而且还要求具有极高的横向分辨能力，并且在某些场合还要求能进行层析成像，即对透明样品内外精细几何尺寸进行高分辨成像。因而，改善共焦显微系统分辨能力和层析成像能力，成为显微成像技术领域亟待解决的理论和技术问题，对促进微光机电技术、生化技术、生物医学、微电子学和材料学等高新领域研究具有重要推动作用。
【发明内容】
[0005]针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种激光差动共焦显微测控系统，该系统功能良好，性能稳定，具有高分辨率、高精度、绝对位置瞄准、双极性跟踪能力及测量范围大等优点，可以广泛应用于生物医学工程、材料工程、微电子制造、基因工程和精密测量等领域。
[0006]为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案:
一种激光差动共焦显微测控系统，其特征在于，包括光强传感系统、数据采集系统、扫描系统、控制系统、主控计算机以及显示系统，所述光强传感系统将光强转化为容易处理的电压信号，由所述数据采集系统获得，同时交给所述主控计算机进行数据处理；该主控计算机通过控制系统对所述扫描系统进行控制，实现对样品的扫描，同时，所述采集系统获得此时的位置信号交给主控计算机，主控计算机处理完成后由所述显示系统进行显示输出。
[0007]在该激光差动共焦显微测控系统中，所述控制系统包括二维平移台控制单元、物镜驱动控制单元、激光控制单元、白光控制单元以及供电单元，该二维平移台控制单元选用P-563.3CD型纳米平移台，该物镜驱动控制单元选用P-725.4CD型物镜驱动器，所述物镜驱动控制单元和二维平移台控制单元通过USB串口与主控计算机连接；所述激光控制单元选用长春新产业激光有限公司405nm带光纤耦合激光器，该激光控制单元通过RS232串口与主控计算机相连；所述的白光控制单元选用直流调压光纤光源GC1-0601完成光源亮度从0%到100%连续可调，该白光控制单元中的白光CXD通过USB串口与主控计算机相连。
[0008]在该激光差动共焦显微测控系统中，所述数据采集系统的数据采集卡选用X系列PC1-e总线型N1-6353，该数据采集系统具有数据采集、模拟输出以及数字输出功能，通过数据采集功能获取光强信息和位置信息，使用模拟输出功能和数字输出功能实现扫描控制；该测控系统使用物面扫描方式，将样品置于载物台上，通过对载物台的控制实现二维扫描；该测控系统使用压电陶瓷驱动的物镜驱动器进行轴向扫描，二维扫描与轴向扫面的部件都有对应的位置传感器输出与位置相关的电压信号。
[0009]本发明的有益效果是:
本测控系统包括两种信号:控制信号和数据信号。控制信号包括:样品扫描运动控制信号(平面扫描和轴向扫描)，模式切换控制信号以及激光控制信号。数据信号包括:光强信号和样品位置信号。运动控制信号由工控机通过USB端口控制运动控制器控制二维平移台和物镜驱动器的运动，另外，模拟控制信号由多功能数据采集发出，通过BNC接口连接到运动控制器，控制运动。模式切换控制信号由多功能数据采集卡的数字输出端发出，控制继电器，继而控制白光的导通与关闭，以配合白光模式和激光模式的转换。工控机通过RS232通信端口控制激光器的开关与功率控制。光强信号包括前焦光强信号和后焦光强信号，位置信号包括平移台位置信号(X，Y位置)和轴向位置信号(Z位置)，这写信号都是由数据采集卡进行采集通过PC1-e总线传送给上位机。
[0010]测量时，首先通过显微镜底座升降台调整样品位置进行粗调，然后使用物镜驱动器进行微调。设定好扫描位置后，进行扫描模式和扫描参数的设置，点击开始扫描，系统开始扫描，在扫描过程中，将获取到的信号经过位图显示进行实时显示，直至扫描任务结束。扫描结束后，进入数据处理模块完成三维重建。检测结果表明，该系统运行稳定，能够获得清晰的样品扫描图像，并且能够根据获得的数据信息进行三维重建。
【附图说明】
[0011]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的解释说明。
[0012]图1是测控系统总体框图； 图2是显微镜测控结构图；
图3是差动共焦显微镜控制箱结构；
图4是控制器内部寄存器结构；
图5是控制方式转换结构图；
图6是软件系统功能模块简图；
图7是白光观察测控流程。
【具体实施方式】
[0013]本发明的测控系统包括六个系统:光强传感系统、数据采集系统、扫描系统、控制系统、主控计算机以及显示系统。光强传感系统将光强转化为容易处理的电压信号，由数据采集系统获得，同时交给主控计算机进行数据处理。另一方面，主控计算机通过控制系统对扫描系统进行控制，实现对样品的扫描，同时，采集系统获得此时的位置信号交给主控计算机。主控计算机处理完成后由显示系统进行显示输出，测控系统总体框如图1所示。
[0014]通过分析，本测控系统使用物面扫描方式，样品置于载物台上，通过对载物台的控制实现二维扫描，使用压电陶瓷驱动的物镜驱动器进行轴向扫描，同时，这两个部件都有对应的位置传感器输出与位置相关的电压信号。数据采集系统的核心部件是多功能数据采集卡，多功能卡有三个功能:数据采集、模拟输出以及数字输出。通过数据采集功能获取光强信息和位置信息，使用模拟输出功能和数字输出功能实现扫描控制，系统显微镜测控结构如图2所示，图中虚线为控制信号，实线为测量信号。
[0015]物镜驱动器带动物镜Z向运动，用于实现Z向扫描。驱动器控制器通过USB串口与工控机连接，可以通过软件命令驱动物镜Z向运动，读取当前位置，也可以通过数据采集卡模拟输出功能，驱动物镜按一定波形运动，通过模拟输入功能采集当前驱动器的位置传感信号。二维平移台带动样品在X/Y方向上运动，实现平面扫描。连接与测控方法与物镜驱动相同。
[0016]数据采集卡装入工控机内部，通过总线技术将采到的数据传送到工控机内存。同时，使用总线技术，将工控机内存中的数据串写入板载缓存中，进而发出对应的波形信号，数据采集与模拟输出过程以外部触发脉冲的上升沿或下降沿作为开始标志，以此作为两个任务的同步信号。同时，使用数据采集卡的数字输出功能产生TTL电平控制继电器的通断以此实现白光的上层控制。激光控制器通过RS232串口与工控机相连，可以通过软件命令改变激光功率，读取当前功率。
[0017]利用差动共焦曲线的过零点可以实现系统的实时采集。为了配合系统的过零点的实时采集，设计了过零触发模块，该系统采用硬件过零触发瞄准测量的方法，硬件过零触发瞄准测量的方法，其原理是通过对差动共焦轴向响应曲线进行过零比较，产生触发脉冲，利用触发脉冲作为控制信号，结合微位移驱动技术，精确获取差动共焦显微测量系统物镜的高精度定位，同时为了提高抗干扰能力，研究了使用光强阈值控制比较器使能的方法来判断传感器光强信号是否可信。由于共焦响应存在旁瓣信号以及样品远离物镜焦点位置时接近于零的探测器信号，将会引起虚假的过零触发信号。为了避免这些信号的