[发明专利]双波长线色散共焦显微探测方法与装置

说明书

双波长线色散共焦显微探测方法与装置。本发明属于色散共焦位移测量领域，利用双波长色散共焦测量技术，结合物镜的色散特性和双波长分光探测与差分处理技术，实现样品表面位移信息的快速检测。本发明首次提出用波长分光装置将物镜收集的经样品反射的测量光束根据波长分离至不同探测区域，通过对两个照明波长下的探测色散共焦响应强度信息进行差分处理，进而得到被测样品表面沿测量光束光轴方向的位移信息。本发明将双波长色散共焦技术、透镜的色散、双波长分光探测与差分处理等技术相结合，快速获取被测样品表面位移信息，为实现样品表面轮廓、形貌、形位公差等信息的快速检测提供了一种新思路。

技术领域

本发明涉及一种高速线共焦显微测量方法，可应用于集成电路芯片、微机电元件、断裂表面形貌、微光学元件浮雕结构、超精密加工表面等各种类型的零件或样品的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

线共焦显微镜的基本架构如下：首先控制照明狭缝、物体、探测狭缝三者之间相互共轭，然后使用精密运动装置如高精度电机或压电陶瓷沿显微物镜光轴方向移动，利用探测器得到显微镜的线共焦响应强度曲线，最后通过处理采集得到线共焦响应强度曲线获取被测样品上一条线上有限个点沿光轴方向的位移信息。相比于点扫描式共焦显微镜，线共焦显微镜能一次性获取一条直线上的位移信息，即其形貌测量效率远优于点扫描式共焦显微镜。但是，在获取位移信息的过程中，线共焦显微镜需要复杂的精密运动装置沿显微物镜光轴方向做精确扫描，通常扫描速度和精度均较低，从而限制了线共焦显微镜在获取被测样品三维形貌时速度和精度。

为了提高线共焦显微镜的测量速度和精度，发表在《Optics Letters》上的《Locally adaptive thresholding centroid localization in confocal microscopy》文献中：提出了一种变阈值的峰值提取算法，能满足大采样间隔下探测得到的线共焦响应强度曲线的高精度处理，显著地提高了线共焦显微测量速度和精度。但是，上述方法仍需要精密运动装置提供轴向扫描，限制了线共焦显微测量速度和精度的进一步提高。发表在《Optics Letters》上的《Simple differential digital confocal aperture to improveaxial response of line-scanning confocal microendoscopes》文献中：通过使用两个探测狭缝，其中一个探测狭缝放置在与照明狭缝共轭位置前一个微小间隔处，另一个探测狭缝放置于与照明狭缝共轭位置后相等的微小间隔处，通过两个探测器分别采集经过两个探测狭缝的光信号强度，即线共焦响应强度值，并对两个探测器上的线共焦响应强度值做差分操作快速获取被测样品表面一条直线上点的位移信息。但是，上述方法在装置构建过程中存在如下缺陷：其一、探测狭缝的共轭光路调整极其复杂，上述文献中的双探测狭缝设计将进一步使复杂化光路调整过程；其二、两个的探测狭缝器光束光轴方向上的位移偏置需要控制在微米量级，对机械装配件的加工精度提出了极高的要求。

另一方面，传统线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，结合线共焦探测技术，通过处理面光谱成像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，线色散共焦技术对光谱成像探测设备光谱分辨能力提出了较高要求，且采集频率受面阵探测器的性能限制通常只能达到kHz至10 kHz左右。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出首先利用照明狭缝将双波长光源发出双波长光束整形成狭缝照明光束，而后色散物镜将狭缝照明光束中不同波长的光聚焦在色散物光轴不同位置处，形成两条垂直于光轴的共面测量直线；由上述两条共面测量直线组成的测量面照射到被测样品上，与被测样品表面相交得到一条测量相交线，被测样品将照射在测量相交线上的测量光束反射；其次，波长分光装置将经被测样品反射并经探测狭缝过滤的测量光束根据波长送入探测器的不同探测区域；然后，利用探测器获取两个照明波长下的线色散共焦响应强度数据；最后，通过对两个照明波长下的线色散共焦响应强度数据进行差分处理得到双波长差分线色散共焦响应数据，进而获取被测样品测量相交线上点沿测量光束光轴方向的位移信息。