基于Linnik型干涉显微镜的同步偏振相移检焦系统的制作方法

本发明属于光学检测领域，具体设计一种基于linnik型干涉显微镜的同步偏振相移检焦系统。

背景技术：

自动对焦从原理来说，分为两类：一类是基于镜头与被拍摄目标之间距离测量的测距自动对焦；另一类是基于对焦屏上成像清晰图像的聚焦检测自动对焦。自动对焦技术实现也具有几种不同的方法。

f.murakami等人，在《accuracyassessmentofalasertriangulationsensor》一文中提出的光学三角法，其根据被侧面上下移动时，半导体激光在位置敏感探测器上的成像光斑的位置会随之移动，通过三角关系式可以算出被侧面位移和光斑位移之间的关系。激光三角法测量具有非接触、不易损伤表面等优点，但因其精度受测量系统本身测量误差而难以满足工业发展需求。

q.li在《autofocussystemformicroscope》中提出利用偏离激光聚焦透镜光轴的辅助光束，实现对聚焦误差的检测，简称为偏心光束法，其通过探测器上接收的光强差值与位移的关系进行调焦。

e.higurashi等人在《nanometer-displacementdetectionofopticallytrappedmetallicparticlesbasedoncriticalanglemethodforsmallforcedetection》中提出利用全反射临界角附近的陡变特性来实现对焦，简称临界角法，其利用被测样品对焦时，反射到两个探测器上的光强相等，而离焦时，光强不等的现象来实现对焦。

dg.kocher在《automatedfoucaulttestforfocussensing》中提出利用一个刀口插入来自被测表面反射光路的返回光路中，并位于返回光路的聚焦透镜的焦点处，利用刀口将光束分成相同的左右两部分，分别引入两个探测器，形成差动信号，提高了系统的灵敏度，这种方法简称为傅科刀口法。

kc.fan等人在《developmentofalow-costautofocusingprobeforprofilemeasurement》中介绍了一种广泛用于光学存储设备的对焦方法，简称为像散法，其利用柱透镜在子午方向和弧矢方向上的焦距不同，光束投射到四象限探测器上的聚焦光斑形状会随着目标物的位移发生变化，通过四象限探测器上四个信号输出端的运算，得到聚焦误差信号，从而驱动音圈马达，将被测样品调至焦平面。

以上的方法多通过准焦和离焦时，探测器上的现象和差动数值来进行调焦，但很少方法给定了焦平面，从而计算具体的离焦量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于linnik型干涉显微镜的同步偏振相移检焦系统，可以快速处理干涉图像，实现实时检焦，获取被测样品位置及形貌信息。

本发明目的的技术解决方案为：一种基于linnik型干涉显微镜的同步偏振相移检焦系统，包括白光光源、准直镜、第一1/4波片、激光光源，科勒照明系统、偏振棱镜、透反射镜、立方分光棱镜、第一显微物镜、参考平面、第二显微物镜、第二1/4波片、检偏镜、聚焦透镜、分光棱镜、x方向线阵ccd、y方向线阵ccd；共光轴依次设置白光光源、准直镜、第一1/4波片、偏振棱镜和透反射镜，上述部件所在光轴为第一光轴；共光轴依次设置激光光源，科勒照明系统、偏振棱镜，上述部件所在光轴为第二光轴；共光轴依次设置被测样品、第二显微物镜、立方分光棱镜、透反射镜、第二1/4波片、检偏镜、聚焦透镜、分光棱镜、x方向线阵ccd，上述部件所在光轴为第三光轴；共光轴依次设置立方分光棱镜、第一显微物镜、参考平面，上述部件所在光轴为第四光轴；共光轴依次设置分光棱镜、y方向线阵ccd，上述部件所在光轴为第五光轴；其中第一光轴和第四光轴、第五光轴相互平行，第二光轴和第三光轴相互平行，且第一光轴和第四光轴、第五光轴分别垂直于第二光轴和第三光轴，第一显微物镜和参考平面位于立方分光棱镜的反射光路上，第二显微物镜和被测样品位于立方分光棱镜的透射光路上，且第一显微物镜和第二显微物镜完全相同。

白光光源产生白光，经准直镜准直入射至45°放置的第一1/4波片形成圆偏振光，经偏振棱镜形成两束振动方向相互垂直的平面偏振光，经透反射镜反射到立方分光棱镜分光，一束经立方分光棱镜反射至第一显微物镜透射照射到参考平面，一束经立方分光棱镜投射至第二显微物镜透射照射到被测样品，返回的两束光经立方分光棱镜透射到透反射镜，经透反射镜透射，经第二1/4波片产生相移，经45°放置的检偏镜后，两束光的偏振方向相同，光强相等，发生干涉，干涉光经聚焦透镜聚焦后入射到分光棱镜分光，一束经分光棱镜透射照射到x方向线阵ccd，一束经分光棱镜反射照射到y方向线阵ccd，将x方向线阵ccd和y方向线阵ccd上图像进行耦合，得到二维干涉图像，利用赛得多项式表征波像差，通过观察图像离焦像差的变化进行调焦，实现检焦。

检焦后，激光光源产生激光，经柯勒照明系统后均匀出射，经偏振棱镜反射，经透反射镜反射，经立方分光棱镜透射，经第二显微物镜透射，激光直写被测样品。

其中，白光光源的波长为550nm，激光光源的波长为532nm，对立方分光棱镜进行镀膜处理，使其只对白光光源具有半透半反功能，而激光光源全部透射。参考平面应采用高精度定焦办法，此处采用的是相移干涉测量技术(psi)，由此参考光路准确聚焦到参考物的焦面上。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)与其他探测器相比，本发明中为了提高数据处理速度，采用x,y两个方向的线阵ccd，在计算机上叠加两幅干涉图；由于线阵ccd实时传输光电变换信号和自扫描速度快，频率响应高，能够实现动态测量，所以本发明数据处理速度快。

(2)本发明在处理干涉图图像时，数据处理快，并且通过相移干涉法对参考光路进行了定焦，给定了参考焦平面，所以可以实时得到被测样品的离焦量，根据得到的离焦量可以进行调焦，使样品最终处于焦平面，实现实时定焦。

(3)在本发明中，在ccd获取干涉图图像信息后，利用赛得多项式对波像差进行表征，通过赛得多项式拟合被测面可以得到被测样品的位置及其形貌信息。

附图说明

图1为本发明基于linnik型干涉显微镜的同步偏振相移检焦系统的光路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，一种基于linnik型干涉显微镜的同步偏振相移检焦系统，包括白光光源1、准直镜2、第一1/4波片3、激光光源4、科勒照明系统5、偏振棱镜6、透反射镜7、立方分光棱镜8、第一显微物镜9、参考平面10、第二显微物镜11、第二1/4波片13、检偏镜14、聚焦透镜15、分光棱镜16、x方向线阵ccd17、y方向线阵ccd18；共第一光轴依次设置白光光源1、准直镜2、第一1/4波片3、偏振棱镜6和透反射镜7；共第二光轴依次设置激光光源4、科勒照明系统5、偏振棱镜6；共第三光轴依次设置被测样品12、第二显微物镜11、立方分光棱镜8、透反射镜7、第二1/4波片13、检偏镜14、聚焦透镜15、分光棱镜16、x方向线阵ccd17；共第四光轴依次设置立方分光棱镜8、第一显微物镜9、参考平面10；共第五光轴依次设置分光棱镜16、y方向线阵ccd18；其中第一光轴、第四光轴、第五光轴相互平行，第二光轴和第三光轴相互平行，且第一光轴和第四光轴、第五光轴分别垂直于第二光轴，第一显微物镜9和参考平面10位于立方分光棱镜8的反射光路上，第二显微物镜11和被测样品12位于立方分光棱镜8的透射光路上。

白光光源1产生白光，经准直镜2准直入射至45°放置的第一1/4波片3形成圆偏振光，经偏振棱镜6形成两束振动方向相互垂直的平面偏振光，经透反射镜7反射到立方分光棱镜8分光，一束经立方分光棱镜8反射至第一显微物镜9透射照射到参考平面10，携带参考平面10信息的光返回立方分光棱镜8，另一束经立方分光棱镜8透射至第二显微物镜11，再照射到被测样品12，携带被测样品12信息的光返回立方分光棱镜8，返回的两束光经立方分光棱镜8透射到透反射镜7，经透反射镜7透射至第二1/4波片13产生相移，经45°放置的检偏镜14后，两束光的偏振方向相同，光强相等，发生干涉，干涉光经聚焦透镜15后入射到分光棱镜16分光，一束经分光棱镜16透射照射到x方向线阵ccd17，另一束经分光棱镜16反射照射到y方向线阵ccd18，将x方向线阵ccd17和y方向线阵ccd18上的图像进行耦合，得到二维干涉图像，利用赛得多项式表征波像差，通过观察图像离焦像差的变化进行调焦，实现检焦；

检焦后，激光光源4产生激光，经柯勒照明系统5后均匀出射，经偏振棱镜6反射至透反射镜7，经透反射镜7反射入立方分光棱镜8，并透射，再经第二显微物镜11透射，激光直写被测样品12。

所述的白光光源1的波长为550nm，所述的激光光源4的波长为532nm。

所述的立方分光棱镜8进行镀膜处理，使其只对白光光源1具有半透半反功能，而激光光源4全部透射。

所述的参考平面10应采用高精度定焦办法，此处采用的是相移干涉测量技术(psi)，由此参考光路准确聚焦到参考物的焦面上。

第一显微物镜9和第二显微物镜11完全相同。

所述透反射镜7与第一光轴呈45°夹角。

所述第一1/4波片3与第一光轴呈45°夹角。

所述检偏镜14与第三光轴呈45°夹角。

本发明与其他探测器相比，为了提高数据处理速度，采用x,y两个方向的线阵ccd，在计算机上叠加两幅干涉图；由于线阵ccd实时传输光电变换信号和自扫描速度快，频率响应高，能够实现动态测量，所以数据处理速度快；在处理干涉图图像时，通过相移干涉法对参考光路进行了定焦，给定了参考焦平面，所以可以实时得到被测样品的离焦量，根据得到的离焦量可以进行调焦，使样品最终处于焦平面，实现实时定焦；在ccd获取干涉图图像信息后，利用赛得多项式对波像差进行表征，通过赛得多项式拟合被测面可以得到被测样品的位置及其形貌信息。