[发明专利]基于柱透镜光路的线扫描差动共焦测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于柱透镜光路的线扫描差动共焦测量装置，属于微观测量技术领域。

背景技术

共焦显微成像技术的基本思想是通过引入针孔探测器抑制杂散光，并产生轴向层析能力，该技术通过逐点的对样品的X-Y面进行二维扫描测量，获得当前X-Y面的图像，再对样品进行Z向(轴向)扫描，并对下一X-Y面进行逐点二维扫描，以此类推，通过将获得的二维图像进行“堆叠”处理，得到样品的三维重构图像。由于这种测量方法十分耗时，为提高共焦检测技术的测量效率，人们在此基础上提出了用狭缝探测代替点探测进行共焦测量的方法。用狭缝探测进行共焦测量的方法大大提高了样品X-Y面的扫描检测速度，但由于该方法的前端光路采用的是圆对称光路，使得在狭缝探测器接收端的光强分布不均匀，中心光强明显高于狭缝边缘处的光强，从而导致了最终的测量误差。

2002年6月，吴开杰、李刚等在《基于线扫描方式的激光共焦显微镜的研究》(吴开杰、李刚、虞启琏、金霞，仪器仪表学报，第23卷第3期增刊)中，提出了用柱透镜代替圆透镜的共焦检测技术，该方法使探测器接收端的光强分布更加均匀，并且显著提高了横向量程范围，提高了共焦检测技术的测量效率。但该方法采用的顶点层析方式，使系统轴向分辨力低，并且三维测量效率低下。

差动共焦检测技术将差动检测引入了共焦显微检测技术中，它采用两路差动探测信号对传统的共焦光路进行改进。相对于传统共焦检测技术，差动共焦检测技术具有独特的零点跟踪特性，具有高轴向分辨力和二倍于传统共焦的轴向响应线性区间。当采用零点层析测量方法时，差动共焦检测技术提供大大高于传统共焦顶点层析测量方法的轴向分辨力；当采用轴向响应线性区间测量方法时，差动共焦检测技术提供二倍于传统共焦的轴向量程和远远高于传统共焦的轴向分辨力，此外当样品轴向尺寸小于轴向响应线性区间大小时，通过一次横向扫描即可获得样品的三维表面信息。因此，差动共焦轴向响应线性区间测量方法能够测量的样品轴向尺寸可达到传统共焦线性区间测量方法的两倍，轴向分辨力也得到了显著提高，并且相对于零点层析方法具有较高的测量效率。但采用差动共焦检测技术进行三维测量时，仍需要对样品的X-Y面进行逐点扫描，测量效率仍然低下。

发明内容

本发明的目的是为了解决差动共焦检测技术在进行三维测量时，测量效率低的问题，提供一种基于柱透镜光路的线扫描差动共焦测量装置。

本发明包括在同轴光路上依次设置的激光器、聚焦透镜、针孔和准直扩束透镜，它还包括矩形光阑、第一分光镜、第二分光镜、探测聚焦柱透镜、第一收集柱透镜、第二收集柱透镜、第一线阵点探测器和第二线阵点探测器，

激光器产生的激光束通过聚焦透镜汇聚于针孔，经针孔滤波后的点光源经过准直扩束透镜扩束后，再经矩形光阑入射至第一分光镜，

经第一分光镜透射后的透射光束入射至探测聚焦柱透镜，并在探测聚焦柱透镜的像方焦平面上形成线聚集，用于对设置于探测聚焦柱透镜的像方焦平面上的被测样本进行线照明；

由被测样本反射后的光束经过探测聚焦柱透镜透射后，再经第一分光镜反射的光束入射至第二分光镜，

第二分光镜的透射光束经过第一收集柱透镜后线聚焦至第一线阵点探测器的光敏面上，第一线阵点探测器设置于第一收集柱透镜的焦前位置；

第二分光镜的反射光束经过第二收集柱透镜后线聚焦至第二线阵点探测器的光敏面上，第二线阵点探测器设置于第二收集柱透镜的焦后位置；

第一线阵点探测器和第二线阵点探测器的离焦量相等。

本发明的优点是：

一：本发明采用柱透镜对差动共焦测量光路进行一维扩展实现了线扫描，同时利用差动共焦轴向响应特性曲线线性区间测量方法具有大轴向量程、高轴向分辨力的特点，将柱透镜引入差动共焦系统后的柱透镜差动共焦检测技术既具有大轴向量程、高轴向分辨力的优点，又可通过一次Y向(或X向)扫描即可实现对被测样品的测量，形成对大尺寸微结构元件的快速测量能力；

二：本发明采用准直扩束透镜将激光束的直径扩大，实现了对被测样本表面照明范围的扩展；准直扩束透镜的出射光在被分光前使用矩形光阑遮挡掉光束的边缘部分，使最终经过探测聚焦柱透镜后，对被测样本进行照明的光束强度分布更加均匀，更利于基于柱透镜光路线扫描的共焦检测轴向测量，降低了因测量光强分布不均匀导致的测量误差；