一种测距系统及测距方法与流程

1.本发明涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种测距系统及测距方法。


背景技术：

2.在工业生产或检测等应用中，有些需要对物体表面高度的变化进行高精度的检测。例如：硅片是基因测序芯片的常用基底；通过在硅片上修饰引物的方法，来捕获待测dna模板链，利用边合成边测序的技术并结合显微光学系统完成基因测序流程。显微镜具有很高的分辨率，但是景深较小，如果物镜和硅片间相对距离发生微米级的变化即有可能离焦，导致成像结果模糊。在保证了物镜和硅片间相对距离的前提下，如果硅片表面不平整，不同位置的高度差超过了物镜的景深，则会导致成像视野部分区域清晰，部分区域模糊。因此，对硅片进行来料检验，保证整张硅片的高度差符合清晰成像的要求是制作测序芯片前的必要步骤。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种测距系统及测距方法，能够对物体表面的高度或微观形貌等进行高精度的检测，提高了信噪比和检测效率，降低了成本。
4.第一方面，本发明实施例提供了一种测距系统，包括第一激光器、第二激光器、第一二向色镜、扩束单元、半透半反镜、色散物镜、位移台、第二二向色镜、第一光强探测单元及第二光强探测单元；所述第一二向色镜对所述第一激光器发出的第一波长激光进行透射，所述第一二向色镜对所述第二激光器发出的第二波长激光进行反射，所述第一波长激光和所述第二波长激光在所述第一二向色镜形成组合光；所述组合光经过扩束单元后，由所述半透半反镜反射到所述色散物镜，并经过所述色散物镜汇聚到待测物体表面；待测物体表面的反射光经过所述色散物镜后，由所述半透半反镜透射，并由所述第二二向色镜分成第一光束和第二光束；所述第一光束的光强由所述第一光强探测单元测量，所述第二光束的光强由所述第二光强探测单元测量；所述待测物体固定于所述位移台上。
5.可选地，所述色散物镜包括沿光轴方向依次排布的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；其中，所述第一透镜、所述第二透镜及所述第三透镜均具有正光焦度，所述第四透镜具有负光焦度。
6.可选地，所述第一透镜满足以下关系：
7.2.1《f
l1
/f《2.4
8.其中，f
l1
表示所述第一透镜的焦距，f表示所述色散物镜的焦距。
9.可选地，所述第二透镜满足以下关系：
10.1.76《f
l2
/f《1.95
11.其中，f
l2
表示所述第二透镜的焦距，f表示所述色散物镜的焦距。
12.可选地，所述第三透镜满足以下关系：
13.1.58《f
l3
/f《1.69
14.其中，f
l3
表示所述第三透镜的焦距，f表示所述色散物镜的焦距。
15.可选地，所述第四透镜满足以下关系：
[0016]-1.13《f
l4
/f《0.94
[0017]
其中，f
l4
表示所述第四透镜的焦距，f表示所述色散物镜的焦距。
[0018]
可选地，所述第一光强探测单元和/或所述第二光强探测单元包括汇聚透镜、针孔和光电二极管，所述汇聚透镜将入射光束汇聚到所述针孔，并由所述光电二极管测量入射光汇聚后的光强。
[0019]
第二方面，本发明实施例提供了一种测距方法，应用于上述的测距系统，包括：
[0020]
启动所述第一激光器、所述第二激光器、所述第一光强探测单元及所述第二光强探测单元；
[0021]
沿待测物体表面的垂直方向移动所述色散物镜以确定所述第一光束的强度峰值对应的色散物镜的第一高度和所述第二光束的强度峰值对应的色散物镜的第二高度，并根据色散物镜的第一高度和所述色散物镜的第二高度确定所述色散物镜的中间高度；
[0022]
将所述色散物镜移动到所述色散物镜的中间高度并保持不变；
[0023]
用所述位移台扫描所述待测物体表面以获取不同位置的第一光束的光强和第二光束的光强，并根据所述第一光束的光强、所述第二光束的光强及预设的第三曲线计算所述待测物体表面不同位置的距离。
[0024]
可选地，所述预设的第三曲线通过以下方法获取：
[0025]
确定所述第一光束的光强随所述待测物体表面的距离变化对应的第一曲线；
[0026]
确定所述第二光束的光强随所述待测物体表面的距离变化对应的第二曲线；
[0027]
根据所述第一曲线和所述第二曲线确定所述第三曲线。
[0028]
可选地，所述方法还包括：
[0029]
根据所述待测物体表面的检测范围确定所述色散物镜对所述第一波长激光及所述第二波长激光的色散距离。
[0030]
实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例采用两种激光器产生两种测试激光，两种测试激光通过色散物镜汇聚在待测物体表面，待测物体表面的反射光经过色散物镜后通过二向色镜将反射光分成两束光，两束光分别由两个光强探测单元测量，根据两个光强探测单元测量的光强对物体表面的高度或微观形貌等进行高精度的检测；另外，采用两个单波长激光作为检测光，在相同光功率情况下，每个波长的能量比传统光谱共聚焦系统采用的白光光源中单个波长的能量更高，检测的光强信号的信噪比更好；由二向色镜对反射光进行分光，光能浪费的小，减少曝光时间，检测效率高；两个光强探测单元分别测试两束反射光，光强信号采集速率快；整个测距系统成本和调试难度低，便于推广使用。
附图说明
[0031]
图1是本发明实施例提供的一种测距系统的结构示意图；
[0032]
图2是本发明实施例提供的一种色散物镜的光路结构图；
[0033]
图3是本发明实施例提供的一种激光波长与色散物镜的工作距离的关系图；
[0034]
图4是本发明实施例提供的一种色散物镜的三种波长的点列图；
[0035]
图5是本发明实施例提供的一种测距方法的步骤流程示意图；
[0036]
图6是本发明实施例提供的两种波长激光强度分别对应的待测物体的距离变化曲线图；
[0037]
图7是本发明实施例提供的两种波长激光强度分别对应的待测物体的距离变化曲线的局部放大图；
[0038]
图8是本发明实施例提供的两种波长激光强度运算处理后与待测物体的距离变化曲线的变化曲线图。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
[0040]
光谱共聚焦测量技术是利用色散原理，即不同波长的光焦点不同，来建立波长和焦面位置的对应关系。当物面和某种波长的光焦点对应时，该波长的光满足光学系统物像共轭条件，能更加有效的耦合入光纤，从而被光谱仪探测。通过分析光谱仪中最强信号光的波长，即可定量计算物镜和样品间的相对距离，以此实现对样品高度及微观形貌的高精度分析。
[0041]
本发明实施例提供了一种测距系统，包括第一激光器、第二激光器、第一二向色镜、扩束单元、半透半反镜、色散物镜、位移台、第二二向色镜、第一光强探测单元及第二光强探测单元；所述第一二向色镜对所述第一激光器发出的第一波长激光进行透射，所述第一二向色镜对所述第二激光器发出的第二波长激光进行反射，所述第一波长激光和所述第二波长激光在所述第一二向色镜形成组合光；所述组合光经过扩束单元后，由所述半透半反镜反射到所述色散物镜，并经过所述色散物镜汇聚到待测物体表面；待测物体表面的反射光经过所述色散物镜后，由所述半透半反镜透射，并由所述第二二向色镜分成第一光束和第二光束；所述第一光束的光强由所述第一光强探测单元测量，所述第二光束的光强由所述第二光强探测单元测量；所述待测物体固定于所述位移台上。
[0042]
需要说明的是，第一激光器和第二激光器根据实际应用确定，如根据待测物体的检测范围确定，本实施例不做具体限制。
[0043]
具体地，二向色镜的作用是对两种波长的光进行透射或反射，扩束单元的作用是对入射光进行扩束，色散物镜的作用是对两种不同波长的激光进行聚焦或分散，位移台的作用是完成光学系统对整个待测物体表面高度的扫描，光强探测单元的作用是将光信号进行预处理并转换成电信号以检测光强大小。
[0044]
可选地，所述第一光强探测单元和/或所述第二光强探测单元包括汇聚透镜、针孔和光电二极管，所述汇聚透镜将入射光束汇聚到所述针孔，并由所述光电二极管测量入射光汇聚后的光强。
[0045]
需要说明的是，汇聚透镜的作用是对入射光束进行汇聚，针孔的作用是过滤杂光，提高信噪比，光电二极管将接收的光信号转换成电信号。
[0046]
具体地，参阅图1，激光器1的波长为660nm，激光器2的波长为488nm。两个激光器发出的光首先到达二向色镜3，二向色镜3透射660nm波段的光且反射488nm波段的光；因此，两个激光器发出的光在经过二向色镜3之后就整合成相同指向性的组合光束。组合光束经过
扩束单元4之后增加了光束的直径，被半透半反镜5反射后进入色散物镜6，之后汇聚于被测物体7的表面上，被测物体7通过真空吸附的方式被固定于电动位移台8上。汇聚于被测物体7上的照明光经过硅片的反射，再次通过色散物镜6，透过半透半反镜5后被二向色镜9分成两束光。其中，660nm的激光透过二向色镜9后，被一片200mm焦距的汇聚透镜10汇聚于针孔11上，经过空间滤波后的激光信号被光电二极管12接收；其中，488nm的激光被二向色镜9反射后，通过200mm焦距的汇聚透镜13汇聚于针孔14上，之后被光电二极管15接收。
[0047]
可选地，所述色散物镜包括沿光轴方向依次排布的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；其中，所述第一透镜、所述第二透镜及所述第三透镜均具有正光焦度，所述第四透镜具有负光焦度。
[0048]
需要说明的是，第一透镜、第二透镜及第三透镜均产生负球差，第四透镜产生正球差以平衡第一透镜至第三透镜产生的负球差。
[0049]
可选地，所述第一透镜满足以下关系：
[0050]
2.1《f
l1
/f《2.4
[0051]
其中，f
l1
表示所述第一透镜的焦距，f表示所述色散物镜的焦距。
[0052]
可选地，所述第二透镜满足以下关系：
[0053]
1.76《f
l2
/f《1.95
[0054]
其中，f
l2
表示所述第二透镜的焦距，f表示所述色散物镜的焦距。
[0055]
可选地，所述第三透镜满足以下关系：
[0056]
1.58《f
l3
/f《1.69
[0057]
其中，f
l3
表示所述第三透镜的焦距，f表示所述色散物镜的焦距。
[0058]
可选地，所述第四透镜满足以下关系：
[0059]-1.13《f
l4
/f《0.94
[0060]
其中，f
l4
表示所述第四透镜的焦距，f表示所述色散物镜的焦距。
[0061]
具体地，参阅图2及表一，图2中l1-l4分别表示第一透镜至第四透镜，s1-s8分别表示不同的面编号，表1中包括第一透镜至第四透镜中各个面的具体参数。
[0062]
表一
[0063]
面编号曲率半径/mm厚度/mm折射率阿贝数126.8642.9951.6156.72-27.8571.392
ꢀꢀ
310.95311.5563.54-156.6950.1
ꢀꢀ
57.8731.1871.6657.4628.4690.417
ꢀꢀ
7-101.9752.9391.9218.9810.5374.423
ꢀꢀ
[0064]
需要说明的是，本实施例对双波长进行色散设计，相对于传统的光谱共聚焦所用的连续波段的色散物镜，其结构简单，成本更低。其次，本实施例中的色散物镜设计为无限远共轭，满足后续二向色镜分光光路的要求。最后，如果所需检测范围较小，色散物镜的设计na大于0.4以减小其景深，增加对硅片高度变化的敏感性。
[0065]
本实施例利用光谱共聚焦原理设计的物体表面测距系统，采用的是二向色镜配合两个光电二极管组成的探测单元，以及由双波长激光组成的照明单元；相比于传统光谱共聚焦系统使用的光谱仪作为探测单元以及白光光源作为照明单元，有以下几方面的优点：一、光电二极管属于单点探测器，相比于光谱仪中采用的多点探测器，采集速率更快，能更加快速有效的完成整个待测物体表面的检测；二、传统光谱仪需要使用光栅分光，光栅的零级和高级次的衍射会浪费相当一部分信号光的能量，本实施例采用的二向色镜在分光时几乎不浪费光能，在相同的激发光功率条件下，本实施例中探测单元的信噪比会明显优于光谱仪；当光源亮度无法进一步提升且待测样品反射率较低时，为了保证足够的信噪比，光谱仪中的探测器需要延长曝光时间，而此操作又会显著降低探测器的帧率，影响检测效率；三、本实施例的照明单元由双波长激光构成，在相同出光功率条件下，每个波长的能量比传统光谱共聚焦单元采用的白光光源中单个波长的能量更高，因此本实施例的探测信噪比更好。另外，本发明的探测单元的成本及装调难度明显优于以光谱仪做探测器的光谱共聚焦系统。
[0066]
可选地，测距系统中色散物镜的色散距离通过以下方法确定：
[0067]
s010、根据所述待测物体表面的检测范围确定所述色散物镜对所述第一波长激光及所述第二波长激光的色散距离。
[0068]
色散物镜对两种检测激光波长的色散距离根据待检测物体的检测范围确定，如待检测物体的检测范围为7um，色散物镜对两种检测激光波长的色散距离为20um。参阅图3，不同的激光波长组合可以实现不同的色散距离设计。
[0069]
在一个具体的实施例中，参阅图4，色散物镜在488nm、588nm以及660nm波长的点列图，其中，660nm波长的点列图的直径为2.00um；从图4可知，汇聚光斑尺寸在三个波长条件下都小于艾里斑尺寸，说明该物镜的球差得到了很好的矫正，像质接近衍射极限。
[0070]
参阅图5，本发明实施例提供了一种测距方法，应用于上述的测距系统，包括：
[0071]
s100、启动所述第一激光器、所述第二激光器、所述第一光强探测单元及所述第二光强探测单元。
[0072]
具体地，激光器和光强探测单元属于有源器件，在使用之前需要通电。
[0073]
s200、沿待测物体表面的垂直方向移动所述色散物镜以确定所述第一光束的强度峰值对应的色散物镜的第一高度和所述第二光束的强度峰值对应的色散物镜的第二高度，并根据色散物镜的第一高度和所述色散物镜的第二高度确定所述色散物镜的中间高度。
[0074]
具体地，根据第一光束的强度峰值和第二光束的强度峰值确定中间强度峰值作为测距系统的实际工作区间；可以将第一强度峰值和第二强度峰值的中间值作为中间强度峰值。
[0075]
具体地，根据色散物镜的第一高度和色散物镜的第二高度确定色散物镜的实际工作起始区间；可以将色散物镜的第一高度和色散物镜的第二高度的中间值作为色散物镜的中间高度。
[0076]
s300、将所述色散物镜移动到所述色散物镜的中间高度并保持不变。
[0077]
s400、用所述位移台扫描所述待测物体表面以获取不同位置的第一光束的光强和第二光束的光强，并根据所述第一光束的光强、所述第二光束的光强及预设的第三曲线计算所述待测物体表面不同位置的距离。
[0078]
需要说明的是，预设的第三曲线是关于第一波长激光的光强、第二波长激光的光强及待测物体表面距离的关系函数，关系函数根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。
[0079]
可选地，所述预设的第三曲线通过以下方法获取：
[0080]
s410、确定所述第一光束的光强随所述待测物体表面的距离变化对应的第一曲线；
[0081]
s420、确定所述第二光束的光强随所述待测物体表面的距离变化对应的第二曲线；
[0082]
s430、根据所述第一曲线和所述第二曲线确定所述第三曲线。
[0083]
具体地，根据第一曲线和第二曲线确定第三曲线的具体方法根据实际应用确定，本实施例不做具体限制，如第一曲线与第二曲线相除并拟合得到第三曲线，第一曲线与第二曲线相乘并拟合得到第三曲线等。
[0084]
在一个具体的实施例中，参阅图6，660nm信号探测器和488nm信号探测器监控到的返回光强随硅片高度变化的曲线。从图6中可知，激光能量强度随硅片高度的变化曲线是一个类似高斯曲线的函数，在焦位置为该曲线的峰值。其中，488nm和660nm峰值之间的距离约为20um左右，这与上述待检测物体的检测范围为7um，色散物镜对两种检测激光波长的色散距离为20um的设计参数相符。
[0085]
在峰值中间位置，也就是距离峰值信号位置约10um处，该位置的
±
8um范围内为该硅片测高系统的实际工作区间，660nm信号探测器和488nm信号探测器监控到的返回光强随硅片高度变化的曲线如图7所示。将两条曲线相除，可得到一条随着硅片高度单调变化的曲线，如图8所示；其中，曲线上的单点为硅片高度以1um间隔变化时的双探测器信号相除的计算值，曲线为双探测器信号计算值的拟合曲线。曲线方程为：y＝6.56*exp(-x/1.135)+5.879*exp(-x/10.844)+4.513*exp(-x/0.122)+0.904。其中，x为双探测器信号相除计算值，可根据该方程求出对应的硅片高度y。使用r2＝回归偏差/总偏差＝∑i(yi-_y)2/∑i(yi-_y)2来评价拟合拟合优度，拟合曲线的r2＝0.9996，说明该曲线的拟合程度很高。
[0086]
实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例采用两种激光器产生两种测试激光，两种测试激光通过色散物镜汇聚在待测物体表面，待测物体表面的反射光经过色散物镜后通过二向色镜将反射光分成两束光，两束光分别由两个光强探测单元测量，根据两个光强探测单元测量的光强对物体表面的高度或微观形貌等进行高精度的检测；另外，采用两个单波长激光作为检测光，在相同光功率情况下，每个波长的能量比传统光谱共聚焦系统采用的白光光源中单个波长的能量更高，检测的光强信号的信噪比更好；由二向色镜对反射光进行分光，光能浪费的小，减少曝光时间，检测效率高；两个光强探测单元分别测试两束反射光，光强信号采集速率快；整个测距系统成本和调试难度低，便于推广使用。
[0087]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。