双波长点色散共焦显微探测方法与装置与流程

1.本发明涉及一种高速共焦显微测量方法，可应用于微传感器、微马达、微齿轮、芯片、微透镜、磨削表面等各类精密零件表面形貌的快速测量，属于光学成像与检测技术领域。


背景技术：

2.共焦显微镜由美国人marvin minsky于1957年发明，其基本原理：将照明针孔、物体、探测针孔放置在彼此共轭的位置上，通过高精度运动装置如高精度电机或压电陶瓷控制显微物镜或被测样品沿着物镜光轴方向移动，采集经被测样品反射且通过探测针孔的光强大小，得到共焦响应强度曲线，通过对共焦响应强度曲线进行处理实现各类精密零件表面形貌的测量。虽然，共轭针孔的设计架构使得传统共焦显微镜具有独特的轴向层析能力，但是运动装置的轴向扫描速度通常较慢、扫描精度也受限制，导致传统共焦显微镜难以实现精密零件样品形貌的快速高精度测量。
3.为了提高传统共焦显微镜的测量速度，发明专利cn 109307481 a《高速传感共焦显微测量方法》中控制运动装置以较大的间隔轴向扫描，由探测器采集共焦响应强度曲线，通过对最大强度两侧的强度值做差分处理快速重构被测样品的表面形貌。但是，上述方法仍然需要复杂的运动装置沿物镜光轴方向扫描数次，限制了测量速度地进一步提高。发表在《optics letters》上的《locally adaptive thresholding centroid localization in confocal microscopy》文献中：提出了采用一种变阈值的峰值提取算法，能满足大扫描间隔下共焦响应强度曲线的高精度处理需求，显著地提高共焦显微测量速度并同时保证测量精度。但是，上述方法与专利 cn 109307481 a的问题类似，即仍需要运动装置做轴向扫描，无法进一步提高共焦显微测量速度。发表在《optics express》上的《real-time laser differential confocal microscopy without sample reflectivity effects》文献中：使用两个探测针孔，其中一个探测针孔放置在与照明针孔共轭位置前一个微小间隔处，另一个探测针孔放置于与照明针孔共轭位置后相等的微小间隔处，采集得到通过两个探测针孔的色散共焦响应强度值，并对上述色散共焦响应强度值做差分操作快速重构被测样品表面形貌信息。但是，上述方法在装置构建过程中存在如下缺陷：其一、探测针孔共轭光路的调整极其复杂，上述方法中采用双探测针孔的设计将进一步使得光路调整复杂；其二、两个的探测针孔沿光束光轴方向上的位移偏置量需要控制在微米量级，对机械零件的加工精度提出了极高的要求。
4.另一方面，色散共焦显微测量方法采用宽带光源照明，利用色散物镜的轴向色散，结合共焦探测技术，通过处理光谱探测设备采集的光谱信息，实现无需机械轴向扫描的高速位移信息测量。但是，常用的光谱探测设备的光谱采集频率通常只能达到100khz左右，无法进一步提高其测量效率。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提出首先利用色散物镜将双波长光源发出光束中不同波长的光聚焦在色散物镜光轴不同位置处，形成测量光束照明在被测样品表面；然后，用波长分光装置将从被测样品表面反射并通过探测针孔的测量光束根据波长送入探测器的不同的探测区域；其次，利用探测器获取双波长下的色散共焦响应强度值；最后，通过对双波长下的色散共焦响应强度值进行差分处理得到双波长差分色散共焦响应值，并根据双波长差分色散共焦响应值的大小获取被测样品表面沿测量光束光轴方向上的位移信息。在本发明中，位移信息的获取依赖于双波长色散共焦技术、色散物镜的色散以及波长分光技术，该技术只需要一个共轭探测针孔，具有结构简单、装配调整简单等优点，同时显微聚焦光斑尺寸小、测量精度高。更为重要的是，如果采用超快的探测器，能使得位移信息的探测频率达到ghz，，极大地提高了精密零件表面形貌测量速度。
6.1. 一方面，本发明提供了一种双波长点色散共焦显微探测方法，其中：双波长光源发出波长λ1和λ2的照明光束，所述照明光束通过照明针孔和分光镜后进入色散物镜；所述色散物镜对不同波长的光有不同的焦距，将不同波长的光聚焦在所述色散物镜光轴上不同位置处；通过所述色散物镜的光束聚焦形成测量光束，照射在被测样品表面上；被测样品表面将聚焦在其上的测量光束反射，反射的光束经所述色散物镜沿原光路返回，由所述分光镜反射后通过探测针孔；通过所述探测针孔的光束经波长分光装置，使得不同波长的光进入不同的探测区域，从而由探测器探测得到照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度值i1和i2；通过将照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度值i1和i2进行处理得到双波长差分色散共焦响应值di
21
；根据所述双波长差分色散共焦响应值di
21
的大小确定被测样品表面沿测量光束光轴方向的位移信息。
7.2. 另一方面，本发明提供了一种双波长点色散共焦显微探测装置，包括双波长光源、照明针孔、分光镜、色散物镜、探测针孔、波长分光装置、探测器；所述双波长光源发出波长λ1和λ2的照明光束，所述照明光束通过所述照明针孔和所述分光镜进入所述色散物镜；所述色散物镜对不同波长的光有不同的焦距，将不同波长的光聚焦在所述色散物镜光轴上不同位置处，形成测量光束照射在被测样品表面上；被测样品表面将聚焦在其上的测量光束反射，反射的光束经所述色散物镜沿原光路返回；所述分光镜将经被测样品反射的测量光束反射送入所述探测针孔；所述探测针孔对经样品反射的测量光束过滤，送入所述波长分光装置；所述波长分光装置使得测量光束的不同波长进入探测器不同的探测区域；所述探测器得到不同探测区域内照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度值i1和i2。
8.本发明对比已有技术具有以下创新点和显著优点：1. 本发明中双波长点色散共焦显微探测方法无需轴向机械扫描，能显著地简化测量结构。
9.2.本发明中双波长点色散共焦显微测量技术采用了同轴照明，聚焦光斑尺寸小，具有适应对象表面特性能力强、测量精度高、测量速度快等优点。
10.3.本发明中只需要一个探针针孔来收集经样品反射的测量光束，具有结构简单、装配调整简单等优点。
附图说明
11.图1为本发明双波长点色散共焦显微探测方法的示意图；图2为本发明双波长点色散共焦显微探测装置的示意图；图3为本发明实施例1中基于光谱仪分光式双波长点色散共焦显微探测装置的示意图；图4为本发明实施例1中色散物镜的光路结构图；图5为本发明实施例2中照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度曲线；图6为发明专利实施例2中双波长差分色散共焦响应值与样品位移之间的关系曲线；图7为本发明实施例3中基于二色分光镜的波长分光装置和探测器的示意图；图8为本发明实施例4中基于分光镜和滤波片的波长分光装置和探测器的示意图；图9为本发明实施例5中基于起偏器和检偏器的双波长点色散共焦显微探测装置的示意图；图10为本发明实施例6中基于偏振分光棱镜的双波长点色散共焦显微探测装置的示意图；图11为本发明实施例7中基于时分驱动电路的双波长点色散共焦显微探测装置的示意图；图12为本发明实施例8中基于光纤器件的双波长点色散共焦显微探测装置的示意图；图13为本发明实施例9中基于光纤器件和时分驱动电路的双波长点色散共焦显微探测装置的示意图；其中：1-双波长光源、2-照明针孔、3-分光镜、4-色散物镜、5-被测样品、6-探测针孔、7-波长分光装置、8-探测器、9-微处理器、701-球面反射镜、702-光栅、703-球面聚焦镜、401-消色差透镜、402-凹透镜、403-第一凸透镜、404-第二凸透镜、405-第三凸透镜、704-准直镜、705-二色分光镜、706-分光镜、707-第一窄带滤光片、708-第二窄带滤光片、709-第一检偏器、710-第二检偏器、711-偏振分光镜、712-时分驱动电路、713-光纤波分复用器、801-第一光电探测器、802-第二光电探测器、803-第一光纤探测器、804-第二光纤探测器、101-第一起偏器、102-第二起偏器、103-第一单波长光纤光源、104-第二单波长光纤光源、105-1
×
2光纤合束器、301-光纤耦合器。
具体实施方式
12.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
13.本发明基于双波长色散共焦测量技术，利用色散物镜将两个不同波长的光聚焦在色散物镜光轴不同位置处，同时利用波长分光装置将被测样品反射的测量光束根据波长分光送入探测器不同区域，由探测器得到两个照明波长下的色散共焦响应强度值，通过两个照明波长下的色散共焦响应强度值进行处理获取被测样品的位移信息。
14.实施例1如图3所示，本实施例中所用的基于光谱仪分光式双波长点共焦显微探测装置的示意图，包括多波长光源1、照明针孔2、分光镜3、色散物镜4（包括消色差透镜401、凹透镜
402、第一凸透镜403、第二凸透镜404、第三凸透镜405）、探测针孔6、波长分光装置7（包括球面反射镜701、光栅702、球面反射镜703）、探测器8（包括能探测波长λ1和λ2强度的探测区域）、微处理器9。其中，双波长光源1发出波长λ1和λ2的光束；照明针孔2将光源发出的光束过滤形成双波长点照明光源；分光镜3将双波长点照明光源发出的照明光束送入色散物镜中，并能将从色散物镜收集的经被测样品反射的测量光束反射到探测器8；色散物镜4由消色差透镜401（焦距23mm、通光孔径5.2mm）、凹透镜402（焦距-14mm、通光孔径15mm）、第一凸透镜403（焦距23.8mm、通光孔径25.4mm）、第二凸透镜404（焦距34mm、通光孔径25.4mm）、第三凸透镜405（焦距34mm、通光孔径22mm）组成，如图4所示。色散物镜4的基本工作原理如下：消色差透镜401将双波长点照明光源射出的照明光束准直进入凹透镜402进行发散，然后被第一凸透镜403、第二凸透镜404、第三凸透镜405聚焦在光轴oa1上不同位置，如波长λ1=550nm、λ2=555 nm的光束聚焦在色散物镜光轴17.5mm、17.505mm处；探测针孔6将经被测样品反射的测量光束过滤，送入波长分光装置7；波长分光装置7主要由球面反射镜701、光栅702、球面反射镜703组成，其基本工作原理如下：球面反射镜701将通过探针针孔6的测量光束准直，照射到光栅702上，光栅702将不同波长的光衍射偏折不同的角度照射到球面反射镜702上，球面反射镜702将不同波长的光聚焦到探测器8中不同区域；探测器8根据不同区域的强度值得到照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度值i1和i2；微处理器9对采集的照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度值i1和i2进行差分处理得到双波长差分色散共焦响应值di
21
，根据双波长差分色散共焦响应值di
21
的大小获取被测样品表面沿测量光束光轴方向的位移信息。
15.本实施例中所用的基于光谱仪分光式双波长点共焦显微探测装置在探测被测样品位移信息时的工作原理如下：双波长光源1发出包括波长λ1=550nm和λ2=555 nm的光束，经照明针孔2和分光镜3进入色散物镜4；色散物镜4的将波长λ1=550nm和λ2=555 nm的光聚焦在色散物镜光轴17.5mm、17.505mm处；进入色散物镜4中的照明光束聚焦形成测量光束，照射在孔类被测样品5的表面上；被测样品5将聚焦在其上的测量光束反射，反射回的光束被色散物镜4收集，经分光镜3反射进入探针针孔6；探测针孔6对经被测样品反射的测量光束过滤，进入波长分光装置7；波长分光装置7将通过探测针孔6的测量光束中不同波长的光聚焦在探测器8的不同区域；探测器8由此得到照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度值i1和i2；通过对照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度值i1和i2进行差分处理得到双波长差分色散共焦响应值di
21
，根据双波长差分色散共焦响应值di
21
的大小获取被测样品表面沿测量光束光轴方向上的位移信息。当利用运动平台沿垂直于测量光束方向移动双波长点共焦显微探测装置或被测样品，获取被测样品表面不同位置处的位移信息，进而重构样品表面轮廓或形貌。
16.实施例2与实施例1不同的是，本实施例中测量光束方向的位移信息获取有赖于构建双波长差分色散共焦响应值di
21
与被测样品位移之间的标定关系。本发明装置中色散物镜4、波长分光装置7、探测器8等器件均存在非均匀光谱响应特性，使得双波长差分色散共焦响应值di
21
与被测样品位移之间的关系会偏离理论设计，因此需要通过实际测试来精确构建双波长差分色散共焦响应值di
21
与被测样品位移之间的标定关系。为了构建上述标定关系，精确控制被测样品5沿测量光束测量方向移动，如z1=0、z2=0.1 μm、z3=0.2μm、
…
、zm=5.0μm，并
同时由探测器8采集得到照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度值i1和i2，即照明波长λ1和λ2下的共焦响应强度曲线，如图5所示；通过对照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度值i1和i2做差分处理，得到双波长差分色散共焦响应值di
21
与被测样品位移之间的关系曲线，如图6所示，实现双波长差分色散共焦响应值di
21
与样品位移之间关系的标定。
17.实施例3与实施例1不同的是，本实施例中波长分光装置7是准直镜704、二色分光镜705组成，如图7所示。其工作原理如下：首先，准直镜704将通过探测针孔6的测量光束准直，送入二色分光镜705；二色分光镜705将波长λ1和λ2的光束区分开，分别送入到光电探测器801和802最终，探测器8（包括光电探测器801、802）得到照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度值i1和i2。
18.实施例4与实施例1不同的是，本实施例中波长分光装置7是准直镜704、分光镜706、第一窄带滤波片707、第二窄带滤波片708组成，如图8所示。其基本工作原理如下：首先，准直镜704将通过探测针孔6的测量光束准直，送入分光镜706；分光镜708将双波长光束按照50:50分光送至第一窄带滤波片707和第二窄带滤波片708；第一窄带滤光片707和第二窄带滤光片708分别仅能通过波长λ1和λ2光束，并进入第一光电探测器801和第二光电探测器802；最终，探测器8（包括光第一电探测器801、第二光电探测器802）得到照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度值i1和i2。
19.实施例5与实施例1不同的是，本实施例中基于起偏器和检偏器的双波长点共焦显微探测装置由双波长光源1、第一起偏器101、第二起偏器102、照明针孔2、分光镜3、色散物镜4、探测针孔6、波长分光装置7（包括准直镜704、分光镜706、第一检偏器709、第二检偏器710）、探测器8（包括第一光电探测器801、第二光电探测器802）、微处理器9等组成，如图9所示。其基本工作原理如下：双波长光源1发出波长λ1和λ2的光束，其中波长λ1的光束通过起偏方向为z向的起偏器101，波长λ2的光束通过起偏方向为x向的起偏器102;照明针孔2将光源发出的光束过滤形成双波长点照明光源；分光镜3将双波长点照明光源发出的照明光束送入色散物镜中，并能将从色散物镜收集的经被测样品反射的测量光束反射到探测器8；色散物镜4将波长λ1=550 nm和λ2=555 nm的光束聚焦在色散物镜光轴17.5mm、17.505 mm处；探测针孔6将经被测样品反射的测量光束过滤，送入波长分光装置7；波长分光装置7主要由准直镜704、分光镜706、第一检偏器709、第二检偏器710组成，其基本工作原理如下：准直镜704将通过探针针孔6的测量光束准直送入分光镜706，分光镜706将双波长光束按照强度50:50分别送入第一检偏器709和第二检偏器710，其中第一检偏器709只能通过偏振方向平行于z向的光束，第二检偏器710只能通过偏振方向平行于x向的光束，即第一检偏器709只能使得波长λ1的光束通过，第二检偏器710只能使得波长λ2的光束通过，波长λ1和λ2的光束通过第一检偏器709和第二检偏器710后，分别进入第一光电探测器801和第二光电探测器802；探测器8（包括第一光电探测801、第二光电探测器802）由此得到照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度值i1和i2；微处理器9对采集的照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度值i1和i2进行差分处理得到双波长差分色散共焦响应值di
21
，根据双波长差分色散共焦响应值di
21
的大小获取被测样品表面沿测量光束光轴方向的位移信息。
20.实施例6与实施例1不同的是，本实施例中基于偏振分光棱镜的双波长点共焦显微探测装置由双波长光源1、第一起偏器101、第二起偏器102、照明针孔2、分光镜3、色散物镜4、探测针孔6、波长分光装置7（包括准直镜704、偏振分光镜711）、探测器（包括第一光电探测器801和第二光电探测器802）组成，如图10所示。其基本工作原理如下：双波长光源1发出波长λ1和λ2的光束，其中波长λ1的光束通过起偏方向为z向的第一起偏器101，波长λ2的光束通过起偏方向为x向的第二起偏器102;照明针孔2将光源发出的光束过滤形成双波长点照明光源；分光镜3将双波长点照明光源发出的照明光束送入色散物镜中，并能将从色散物镜收集的经被测样品反射的测量光束反射到探测器8；色散物镜4将波长λ1=550 nm和λ2=555 nm的光束聚焦在色散物镜光轴17.5mm、17.505 mm处；探测针孔6将经被测样品反射的测量光束过滤，送入波长分光装置7；波长分光装置7由准直镜704和偏振分光镜711组成，其基本原理是：准直镜704将通过探针针孔6的测量光束准直送入偏振分光镜711，偏振分光镜711将双波长光束中波长λ1和λ2两个偏振方向不同的光分别进入第一光电探测器801和第二光电探测器802；探测器8（包括第一光电探测801、第二光电探测器802）由此得到照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度值i1和i2；微处理器9对采集的照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度值i1和i2进行差分处理得到双波长差分色散共焦响应值di
21
，根据双波长差分色散共焦响应值di
21
的大小获取被测样品表面沿测量光束光轴方向的位移信息。
21.实施例7与实施例1不同的是，本实施例中基于时分驱动电路的双波长点共焦显微探测装置由双波长光源1、照明针孔2、分光镜3、色散物镜4、探测针孔6、时分驱动电路712、第一光电探测器801、微处理器9组成，如图11所示。其基本工作原理如下：微处理器9控制时分驱动电路712产生周期性脉冲信号，脉冲信号的上升沿激励驱动电路依次给双波长光源中波长为λ1和λ2、的子光源模块供电，在t1、t2时刻，依次产生波长为λ1和λ2的照明光束；照明光束通过照明针孔2和分光镜3，进入色散物镜4；色散物镜4将照明光束中不同波长的光聚焦在色散物镜光轴oa1上不同位置；通过色散物镜4的照明光束聚焦形成测量光束，照射在被测样品5上；从被测样品5表面反射的光束沿原路返回，被色散物镜4收集，经分光镜3反射，通过探针针孔7，在t1、t2时刻依次被探测器8接收，得到照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度值i1和i2；微处理器9对采集的照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度值i1和i2进行差分处理得到双波长差分色散共焦响应值di
21
，根据双波长差分色散共焦响应值di
21
的大小获取被测样品表面沿测量光束光轴方向的位移信息。
22.实施例8与实施例1不同的是，本实施例中基于光纤器件的双波长点共焦显微探测装置由双波长光源1（包括第一单波长光纤光源103、第二单波长光纤光源104、1
×
2光纤合束器105等）、光纤耦合器301、色散物镜4、波分复用器713、探测器8（包括第一光纤探测器803、第二光纤探测器804）组成，如图12所示。其基本工作原理如下：由第一单波长光纤光源103、第二单波长光纤光源104以及光纤合束器105等组成的双波长光源1发出波长λ1和λ2的照明光束，通过光纤合束器105进入到光纤耦合器301；光纤耦合器301将双波长照明光束送往色散物镜4；色散物镜4将由光纤耦合器301发出的双波长照明光束中不同波长的光聚焦在色散物镜光轴oa1上不同位置；通过色散物镜的照明光束聚焦形成测量光束，照射在测量样品表
面；被测样品将测量光束反射，反射光束沿原光路返回，被色散物镜4收集，进入光纤耦合器301；光纤耦合器301将经被测样品反射的测量光束送入波分复用器713；波分复用器713将测量光束中波长λ1和λ2的光分别送至第一光纤光电探测器803、第二光纤光电探测器804；探测器8（包括第一光纤光电探测器803、第二光纤光电探测器804）由此得到照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度值i1和i2；微处理器9对采集的照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度值i1和i2进行差分处理得到双波长差分色散共焦响应值di
21
，根据双波长差分色散共焦响应值di
21
的大小获取被测样品表面沿测量光束光轴方向的位移信息。
23.实施例9与实施例1不同的是，本实施例中基于光纤器件和时分驱动电路的双波长点共焦显微探测装置由双波长光源（包括第一单波长光纤光源103、第二单波长光纤光源104、1
×
2光纤合束器105）、光纤耦合器301、色散物镜4、时分驱动电路712、第一光纤探测器803组成，如图13所示。其工作原理如下：由第一单波长光纤光源101、第二单波长光纤光源102以及1
×
2光纤合束器105组成的双波长光源1能发出波长λ1和λ2的光束；微处理器9控制时分驱动电路712发出周期性脉冲信号，脉冲信号的上升沿激励驱动电路依次给双波长光源中波长为λ1和λ2的单波长光纤光源模块103和104供电，在t1、t2时刻，依次发出波长为λ1、λ2的照明光束，通过光纤合束器105进入到光纤耦合器301；光纤耦合器301将双波长照明光束送往色散物镜4；色散物镜4将光纤耦合器301发出的双波长照明光束中不同波长的光聚焦在色散物镜光轴oa1上不同位置处；通过色散物镜4的照明光束聚焦形成测量光束，照射在测量样品表面；被测样品将测量光束反射，反射光束沿原光路返回，被色散物镜4收集，进入光纤耦合器301；光纤耦合器301将反射的测量光束送入第一光纤探测器803；在t1、t2、时刻，第一光纤探测器803依次探测得到照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度值i1和i2；微处理器9对采集的照明波长λ1和λ2下的色散共焦响应强度值i1和i2进行差分处理得到双波长差分色散共焦响应值di
21
，根据双波长差分色散共焦响应值di
21
的大小获取被测样品表面沿测量光束光轴方向的位移信息。
24.以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的适用范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。