一种基于共焦光路像素差分的焦面检测方法及装置

1.本发明涉及光学精密检测技术领域，尤其涉及一种基于共焦光路像素差分的焦面检测方法及装置，可用于光学系统中的定焦和焦面跟踪补偿。


背景技术：

2.共焦显微技术由于其独特的切片能力，可实现样品平面的轴向扫描和3d成像，已经被广泛的应用于光学加工、工程物理、生物医学工程和精密测量等领域。然而，传统的共焦技术仍有一些不足之处，比如信噪比低，抗干扰能力差，测量精度容易受到光源强度、环境照明的干扰和被测表面的反射特性的影响，测量过程中自身的机械不稳定性和环境振动不可避免的引入物体位置轴向漂移，线性度差、无绝对零点等缺点。因此在日趋成熟的微纳结构检测领域，传统的共焦显微已经不能满足当代科学研究对光学测量高分辨率的要求。
3.与传统共焦相比，差动共焦将两路探测器的信号进行差分，具有焦点判别能力强，灵敏度高，抗干扰能力强、具有绝对零位的优点，可进行双极性绝对跟踪测量。目前，绝大部分激光差动共焦扫描成像光路中，普遍采用的是能量探测法，即共焦光束分别经过针孔再被探测器(光电倍增管)接收。两路探测针孔相对会聚透镜的焦点有轴向偏移并且对称放置，通过压电陶瓷驱动控制物镜的位置，样品表面位于焦平面时，共焦光束经两路针孔得到的衍射斑强度极值相等，差分信号为零，实现对样品表面的精确聚焦。针孔衍射模型中的强度极大值与离焦量间存在非线性关系，因此这种方法严重依赖于两针孔摆放位置的精确度。同时整个光路系统存在线性范围窄、调试较为困难等缺点。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提出一种基于共焦光路像素差分的焦面检测方法，该方法属于差动共焦检测技术的其中一种，具有差动共焦技术焦点判别能力强、灵敏度高、抗干扰能力强的优点，同时不采用针孔，避免了衍射强度极值变化非线性的问题；采用图像传感器ccd作为探测器，通过对探测器上的光斑形状进行差分实现定焦的目的。另外，该方法可根据系统所需要的检焦精度，灵活的设置系统光学参数，可做到大范围粗检焦和小范围精检焦。本发明还设计了一套可以实现该方法的基于共焦光路像素差分的焦面检测装置。
5.本发明的具体技术方案如下：
6.一种基于共焦光路像素差分的焦面检测方法，平行光束经物镜照射在样品表面，所述平行光束经所述样品的表面反射后，再次通过所述物镜，通过所述物镜的光束经会聚透镜聚焦后，被两图像传感器ccd1、ccd2接收；
7.多次改变样品平面的位置，每次测量图像传感器ccd1接收到的光斑半径和图像传感器ccd2接收到的光斑半径r2，分别代入公式(1)，计算得到离焦量δ、会聚透镜和物镜之间的光程l；并对r1和r2作差，得到差分信号f(δ)的值；根据得到的多组r1、r2、f(δ)和δ的数据，对f(δ)和δ进行拟合，得到差分信号f(δ)与离焦量δ的对应关系；
[0008][0009]
式中，fo为所述物镜的有效焦距，f为所述会聚透镜的焦距，m为所述离焦量δ的最大值，ro为入射到所述物镜的主平面的光斑半径。
[0010]
进一步地，所述m为人工选择的值，所述离焦量δ的范围为-m≤δ≤m；若此时ccd1和ccd2上的光斑尺寸小于ccd靶面尺寸，则继续进行后续步骤；否则，重新选择m。
[0011]
进一步地，所述ccd1和ccd2分别位于所述会聚透镜焦点的两侧，且所述ccd1、ccd2均能接收到经会聚透镜聚焦后的光束。
[0012]
进一步地，当所述物镜的焦点位于所述样品和所述物镜之间时，所述离焦量δ为正；当所述物镜的焦点位于所述样品表面时，所述离焦量δ为0；否则，所述离焦量δ为负。
[0013]
进一步地，调整离焦量δ为0，所述光程l
→
f+fo，此时得到四焦距光路，此时所述差分信号趋近于0。
[0014]
一种实现所述的基于共焦光路像素差分的焦面检测方法的基于共焦光路像素差分的焦面检测装置，包括：光源、滤波准直装置、二分之一波片、偏振分光棱镜、四分之一波片、物镜、样品、会聚透镜、分束棱镜、图像传感器一、图像传感器二；
[0015]
所述光源、滤波准直装置、二分之一波片、偏振分光棱镜、四分之一波片、物镜、样品依次共轴布置；所述偏振分光棱镜、会聚透镜、分束棱镜依次共轴线布置，且该轴线与所述物镜的光轴垂直；
[0016]
所述光源用于射出光线，所述滤波准直装置用于将初始光线转化为平行平顶光束，所述二分之一波片和偏振分光棱镜用于调整所述平行平顶光束的光强，并将所述平行平顶光束变为水平线偏光；所述四分之一波片用于改变所述水平线偏光的偏振方向，使得到的垂直线偏光能在所述偏振分光棱镜发生全反射；所述会聚透镜用于使光束聚焦，所述分束棱镜将光束分为两路，两路光束分别被所述图像传感器一、图像传感器二接收。
[0017]
进一步地，还包括三维高精度工作台，所述样品固定安装在所述三维高精度工作台上，所述三维高精度工作台带动所述样品进行三维运动，用于调整所述离焦量，实现跟焦补偿。
[0018]
进一步地，所述物镜选取数值孔径大于0.95、放大倍数高于50的，用于获得更高的检焦灵敏度。
[0019]
进一步地，所述图像传感器一和图像传感器二所拍摄到的光斑的半径，为光斑的强度半峰全宽。
[0020]
进一步地，所述平行平顶光束在传播过程中由于光的衍射影响，对所述差分信号的处理使用图像处理算法对所述图像传感器一和图像传感器二获得的光斑信号进行优化。
[0021]
本发明的有益效果是：
[0022]
(1)本发明方法所用光路虽同为共焦光路，但在检测时避免采用针孔，减少了光的衍射产生的影响，装置结构简单，调试更为方便；
[0023]
(2)本发明方法充分结合了共焦法检焦的高灵敏度优点和像散法检焦的大范围特
点，可实现不牺牲灵敏度的前提下增加检焦区间；
[0024]
(3)本发明所用光路未采用复杂的光场调制器件，比如衍射光学元件、空间光调制器，使得系统的稳定性和抗干扰性大幅提升；
[0025]
(4)本发明可根据系统所需要的检焦精度，灵活的选取物镜的光学参数，可做到大范围粗检焦或小范围精检焦。
附图说明
[0026]
图1是本发明基于共焦光路像素差分的焦面检测装置原理图。
[0027]
图2是本发明基于共焦光路像素差分的焦面检测方法流程图。
[0028]
图3是根据系统设计要求的检焦范围
±
m计算图像传感器位置参数u1和u2的光路图，其中，(a)为离焦量+m时计算参数u2的光路图，(b)为离焦量-m时计算参数u2的光路图。
[0029]
图4是确定两路图像传感器ccd位置后的离焦状态光路图，其中，(a)为正离焦状态光路图，(b)为负离焦状态光路图。
[0030]
图5是确定位置后两路图像传感器ccd探测到的光斑及差分信号示意图。
[0031]
图6是根据本实施例给出的关于光斑半径r1、r2和差分信号f(δ)与离焦量δ的关系图。
[0032]
图中，光源1、聚光透镜2、小孔3、准直透镜4、二分之一波片5、偏振分光棱镜6、四分之一波片7、物镜8、样品9、三维高精度工作台10、会聚透镜11、分束棱镜12、图像传感器一13、图像传感器二14。
具体实施方式
[0033]
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0034]
如图1所示，为本发明基于共焦光路像素差分的焦面检测装置原理图，包括：光源1、聚光透镜2、小孔3、准直透镜4、二分之一波片5、偏振分光棱镜6、四分之一波片7、物镜8、样品9、三维高精度工作台10、会聚透镜11、分束棱镜12、图像传感器一13、图像传感器二14。其中，两图像传感器均选择ccd传感器，图像传感器一13为ccd1，图像传感器二14为ccd2。
[0035]
光源1、聚光透镜2、小孔3、准直透镜4、二分之一波片5、偏振分光棱镜6、四分之一波片7、物镜8、样品9共轴线布置，样品9固定安装在三维高精度工作台10上；偏振分光棱镜6、会聚透镜11、分束棱镜12共轴线布置，且该轴线与物镜8的光轴垂直；图像传感器一13、图像传感器二14分别布置在经分束棱镜12后的两光束路径上。本实施例中三维高精度工作台10选用压电陶瓷(pzt)。
[0036]
其中物镜8选取数值孔径大于0.95、放大倍数高于50的物镜，用于获得更高的检焦灵敏度。图像传感器一13和图像传感器二14所拍摄到的光斑的半径，在实验中为光斑的强度半峰全宽(fwhm)。
[0037]
光线从光源1射出，依次通过聚光透镜2、小孔3、准直透镜4后，完成光线的预处理(即小孔滤波准直)，得到平行平顶光束。平顶光束依次通过二分之一波片5和偏振分光棱镜6，得到水平线偏光，且该水平线偏光的光束强度可通过旋转二分之一波片5进行调节。水平
线偏光依次通过四分之一波片7和物镜8后到达样品9的表面，经表面反射后原路返回，再依次通过物镜8和四分之一波片7，得到垂直线偏光。该垂直线偏光经偏振分光棱镜6完全反射后，通过会聚透镜11进行聚焦，通过分束棱镜12对垂直线偏光进行分束，分束后的两路光束分别出射到图像传感器一13和图像传感器二14的接收靶面上，分别被图像传感器一13和图像传感器二14接收。
[0038]
如图2所示，本发明基于共焦光路像素差分的焦面检测方法，使用上述基于共焦光路像素差分的焦面检测装置完成，具体步骤如下：
[0039]
步骤一：确定两图像传感器的具体位置。
[0040]
如图3所示，布置好如图1所示光学系统装置后，令物镜8的焦点与样品9之间的距离为离焦量δ，物镜8的焦点在样品9的上方时，离焦量δ为正；物镜8的焦点在样品9的下方时，离焦量δ为负，设计离焦量δ的范围为-m≤δ≤m。
[0041]
步骤二：确定两图像传感器的具体位置。
[0042]
令物镜8与会聚透镜11间的光程为l，图像传感器一13、图像传感器二14与会聚透镜11的像方焦点的间距分别为u1(焦后)和u2(焦前)；光束入射到物镜8主平面的光斑半径为ro，入射到会聚透镜11主平面的光斑半径为r
l
，图像传感器一13接收到的离焦光斑半径为r1，图像传感器二14接收到的离焦光斑半径为r2。其中，l、ro、r
l
、r1、r2为已知量，其余为未知量。
[0043]
物镜8和汇聚透镜11的焦距与物距、像距之间的关系如下：
[0044][0045]
式中，fo为物镜8的有效焦距，为已知量；ao为物镜8的物距，bo为物镜8的像距，为未知量；f为会聚透镜11的焦距，为已知量；a
l
为会聚透镜11的物距，b
l
为会聚透镜11的像距，为未知量。
[0046]
如图3(a)所示，当离焦量取最大正离焦，即δ＝m时，图像传感器一13应位于此时光线通过会聚透镜11的前焦点位置。此时图像传感器一13接收到的光斑半径为r1，物镜8的物距ao＝fo+m(m＞0)，根据几何关系可得：
[0047][0048]
式中，bo＝a
l
+l，u2＝f-b
l
，结合式(1)、(2)，得到参数u2与m的关系表达式为：
[0049][0050]
同理，如图3(a)所示，当离焦量取最大负离焦，即δ＝-m时，各参数几何关系为：
[0051][0052]
式中，bo＝a
l-l，u1＝b
l-f；结合式(1)、(4)，得到所述参数u1与m的关系表达式为：
[0053][0054]
当物镜8与会聚透镜11间的光程l，趋近于物镜8和会聚透镜11的焦距之和f+fo时，图像传感器一13和图像传感器二14的位置参数满足u1≈u2(l
→
f+fo)，此时，物镜8与会聚透镜11构成四焦距系统光路结构。图像传感器一13和图像传感器二14的位置关于会聚透镜11的像方焦点对称。
[0055]
步骤三：若ccd1和ccd2上的光斑尺寸小于ccd靶面尺寸，则继续步骤四；否则，重复执行步骤一和步骤二。
[0056]
步骤四：求解差分信号与离焦量之间的关系表达式。
[0057]
如图4所示，确定图像传感器一13和图像传感器二14的具体位置后，即可通过离焦量在-m≤δ≤m范围内的光路简化图，根据公式(1)～(5)，得到图像传感器一13和图像传感器二14接收到的光斑半径r1和r2与离焦量δ之间的关系满足以下公式：
[0058][0059]
将公式(3)、(5)代入公式(6)，化简可得r1和r2分别为：
[0060][0061]
进而可得差分信号f(δ)与离焦量δ之间的关系表达式为：
[0062][0063]
当物镜8的焦点位于样品9平面上方时，离焦量δ满足0＜δ≤m，图像传感器一13上的光斑半径r1大于图像传感器二14上的光斑半径r2，此时差分信号f(δ)为正值；当物镜8的焦点位于样品9平面下方时，离焦量δ满足-m≤δ＜0，图像传感器一13上的光斑半径r1小于图像传感器二14上的光斑半径r2，此时差分信号f(δ)为负值；当物镜8的焦点位于样品9平面时，离焦量δ满足δ＝0，此时差分信号f(δ)可简化为：
[0064][0065]
此时差分信号f(δ)的正负性取决于物镜8、会聚透镜11间的光程l，与物镜8、会聚透镜11的焦距之和f+fo的大小。若l＜f+fo，则差分信号f(δ)为正值；若l＝f+fo，则差分信号f(δ)为零；若l＞f+fo，则差分信号f(δ)为负值。
[0066]
改变样品平面的位置(满足-m≤δ≤m)，分别探测得到光斑半径r1和r2，代入公式(7)，计算得到离焦量δ和光程l的值，并对r1和r2作差，得到f(δ)的值。记录多次实验数据，得到多组r1、r2、f(δ)和δ的数据，对f(δ)和δ进行拟合，得到差分信号f(δ)与离焦量δ的对应关系。
[0067]
实际应用中，根据差分信号与离焦量的关系，得到对应的离焦量，再根据离焦量得到样品平面具体位置。利用三维高精度工件台10调整离焦量，实现跟焦补偿。
[0068]
为方便整个光学系统的标定，使得差分信号f(δ)尽可能趋近于零，装置通常采用四焦距光路，即l＝f+fo。
[0069]
平行平顶光束在传播过程中由于不可避免的光的衍射影响，对差分信号的处理包括但不限于使用图像处理算法对图像传感器一13和图像传感器二14获得的光斑信号进行优化。
[0070]
下面结合具体实施例对本发明进行说明。
[0071]
实施例1
[0072]
光源1选择半径为1mm，波长为632.8nm的激光光源，经过小孔滤波准直后得到半径ro＝2mm的准直平顶光束；二分之一波片5选用1英寸零级二分之一波片wpq-6328-2m；偏振分光棱镜6选用1英寸偏振分束立方体pbs251；四分之一波片7选用1英寸零级四分之一波片wpq-6328-4m；物镜8的有效焦距fo＝2mm；会聚透镜11选用焦距f＝200mm的平凸透镜；分束棱镜12选用非偏振分束立方棱镜mbs1445-a，图像传感器一13和图像传感器二14均选用mv-ce200-11um型号。离焦范围为：-5μm≤δ≤5μm。
[0073]
如图5所示，为不同离焦状态下，图像传感器一13和图像传感器二14分别探测到的光斑及对应的差分信号f(δ)。
[0074]
如图6(a)所示，为根据已知参数计算得到的光斑半径r1和r2与离焦量δ的对应关系曲线图；如图6(b)所示，为根据已知参数计算得到的差分信号f(δ)与离焦量δ的对应关系曲线图，可以看出，差分信号f(δ)在系统设计的离焦范围-5μm≤δ≤5μm内与离焦量δ呈线性相关，在
±
5μm的离焦范围下，差分信号f(δ)改变了2mm。从图6中给出的数据可以看出，10μm的检焦区间光斑像素有2000个像素点的变化，即单像素对应5nm的灵敏度，仿真数据可证明本发明能实现高精度焦面跟踪定位与补偿。
[0075]
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。