[发明专利]一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法

说明书

本发明公开了一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法，搭建光谱共焦测量装置，用菲涅尔波带片代替透镜或透镜组进行直接色散聚焦；对标准平面反射镜的轴向位置监测，标定菲涅尔波带片线性轴向聚焦范围和光谱共焦测量装置的波长‑位置关系；标准平面反射镜更换为待测样品，将样品被测表面置于装置的测量范围内进行测量；复合光光源通过菲涅尔波带片沿轴向色散产生对应于不同波长的色带，聚焦于样品表面的焦点所对应波长的光场沿原光路返回，光谱仪探测到其返回信号强度点扩散函数，利用质心法计算峰值坐标位置，根据波长‑位置校准曲线得到样品测量点的位置信息。本发明与传统的光谱共焦测量相比，具有结构简单、设计灵活、成本低廉等优点。

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体涉及一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法。

背景技术

共焦显微技术(Confocal Microscopy)是实现光学层析显微技术的最典型方法，最早的共焦显微成像装置于20世纪50年代中后期由美国哈佛大学初级研究员M.Minsky提出于1961年，并获得美国发明专利权。光谱共焦技术利用共焦显微技术的共焦原理，并利用色散聚焦原理相结合的一种测量方法，与共焦显微技术相比，光谱共焦技术不需要轴向扫描装置，简化了其结构。目前，光谱共焦技术在现代生物及医学、物理、化学、材料科学、纳米技术、精密测量等领域产生了深远影响。

光谱共焦测量方法的突出特点是采用复色光色散聚焦产生的轴向焦点宽带进行探测，其结构上一般由五个部分组成：复色光光源、光纤或点光源针孔、色散聚焦系统、光谱检测系统和应用软件系统。其中色散聚焦系统是光谱共焦测量方法的重要的一个系统，影响到测量的精度和测量范围，传统的色散聚焦系统由透镜组进行色散、聚焦。在该色散聚焦系统中透镜质量与系统的装调质量严重影响着被测物体内各测点位置信息的采集效果及其成像的清晰度。因此，为了有效减小由于成像装置的装调质量引起的测量误差，有必要提出一种能达到上述目的的检测技术。

中国发明专利(申请号：201611127494.5)中提出了一种波长扫描共焦微位移测量装置及方法，采用菲涅尔波带片，通过步进改变波长，进而让焦点位置改变进行扫描样品测量微位移，其本质基于共焦原理与装置，但未采用复色光照明，未采用光谱分光成像与共焦探测相结合的光谱共焦方法实现样品表面形貌测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法，采用菲涅尔波带片实现复合光的色散聚焦，采用光谱分光成像与共焦探测相结合的方法实现样品表面高度测量，与传统的光谱共焦测量相比，具有结构简单、设计灵活、成本低廉等优点。

本发明采用以下技术方案：

一种菲涅尔波带片光谱共焦测量方法，包括以下步骤：

S1、搭建光谱共焦测量装置，用菲涅尔波带片代替透镜或透镜组进行直接色散聚焦；

S2、步骤S1完成后，对标准平面反射镜的位置进行监测，移动反射镜位置，每次移动反射镜光谱共焦装置均进行多次信号采集测量，光谱仪探测返回信号光场强度点扩散函数并利用质心法计算峰值坐标位置得到每次测量的返回信号波长；

S3、根据步骤S2中每次反射镜移动多次信号测量的平均峰值波长与对应标准平面反射镜位置计算线性相关系数，并进行曲线拟合，得到菲涅尔波带片线性色散聚焦范围及波长-位置关系曲线；

S4、将标准平面反射镜换成待测样品，并使样品被测表面位于有效测量范围内；复合光光源通过菲涅尔波带片沿轴向色散聚焦产生对应于不同波长的色带，聚焦于样品表面的焦点所对应波长的光场沿原光路返回，由光谱仪探测其返回信号强度点扩散函数，利用质心法计算峰值坐标位置得到返回信号波长，根据波长-位置曲线得到样品表面测量点的位置信息。

具体的，步骤S2中，测量点信号采集次数根据波长-位置曲线拟合精度确定；反射镜移动位置坐标z_i表示如下：