[发明专利]一种基于共焦光路像素差分的焦面检测方法及装置

权利要求书

1.一种基于共焦光路像素差分的焦面检测方法，其特征在于，平行光束经物镜照射在样品表面，所述平行光束经所述样品的表面反射后，再次通过所述物镜，通过所述物镜的光束经会聚透镜聚焦后，被两图像传感器CCD1、CCD2接收；

多次改变样品平面的位置，每次测量图像传感器CCD1接收到的光斑半径和图像传感器CCD2接收到的光斑半径r₂，分别代入公式(1)，计算得到离焦量Δ、会聚透镜和物镜之间的光程L；并对r₁和r₂作差，得到差分信号F(Δ)的值；根据得到的多组r₁、r₂、F(Δ)和Δ的数据，对F(Δ)和Δ进行拟合，得到差分信号F(Δ)与离焦量Δ的对应关系；

式中，f_o为所述物镜的有效焦距，f为所述会聚透镜的焦距，M为所述离焦量Δ的最大值，r_o为入射到所述物镜的主平面的光斑半径。

2.根据权利要求1所述的基于共焦光路像素差分的焦面检测方法，其特征在于，所述M为人工选择的值，所述离焦量Δ的范围为-M≤Δ≤M；若此时CCD1和CCD2上的光斑尺寸小于CCD靶面尺寸，则继续进行后续步骤；否则，重新选择M。

3.根据权利要求1所述的基于共焦光路像素差分的焦面检测方法，其特征在于，所述CCD1和CCD2分别位于所述会聚透镜焦点的两侧，且所述CCD1、CCD2均能接收到经会聚透镜聚焦后的光束。

4.根据权利要求1所述的基于共焦光路像素差分的焦面检测方法，其特征在于，当所述物镜的焦点位于所述样品和所述物镜之间时，所述离焦量Δ为正；当所述物镜的焦点位于所述样品表面时，所述离焦量Δ为0；否则，所述离焦量Δ为负。

5.根据权利要求1所述的基于共焦光路像素差分的焦面检测方法，其特征在于，调整离焦量Δ为0，所述光程L→f+f_o，此时得到四焦距光路，此时所述差分信号趋近于0。

6.一种实现权利要求1～5任意一项所述的基于共焦光路像素差分的焦面检测方法的基于共焦光路像素差分的焦面检测装置，其特征在于，包括：光源(1)、滤波准直装置、二分之一波片(5)、偏振分光棱镜(6)、四分之一波片(7)、物镜(8)、样品(9)、会聚透镜(11)、分束棱镜(12)、图像传感器一(13)、图像传感器二(14)；

所述光源(1)、滤波准直装置、二分之一波片(5)、偏振分光棱镜(6)、四分之一波片(7)、物镜(8)、样品(9)依次共轴布置；所述偏振分光棱镜(6)、会聚透镜(11)、分束棱镜(12)依次共轴线布置，且该轴线与所述物镜(8)的光轴垂直；

所述光源(1)用于射出光线，所述滤波准直装置用于将初始光线转化为平行平顶光束，所述二分之一波片(5)和偏振分光棱镜(6)用于调整所述平行平顶光束的光强，并将所述平行平顶光束变为水平线偏光；所述四分之一波片(7)用于改变所述水平线偏光的偏振方向，使得到的垂直线偏光能在所述偏振分光棱镜(6)发生全反射；所述会聚透镜(11)用于使光束聚焦，所述分束棱镜(12)将光束分为两路，两路光束分别被所述图像传感器一(13)、图像传感器二(14)接收。

7.根据权利要求6所述的基于共焦光路像素差分的焦面检测装置，其特征在于，还包括三维高精度工作台(10)，所述样品(9)固定安装在所述三维高精度工作台(10)上，所述三维高精度工作台(10)带动所述样品(9)进行三维运动，用于调整所述离焦量，实现跟焦补偿。

8.根据权利要求6所述的基于共焦光路像素差分的焦面检测装置，其特征在于，所述物镜(8)选取数值孔径大于0.95、放大倍数高于50的，用于获得更高的检焦灵敏度。

9.根据权利要求6所述的基于共焦光路像素差分的焦面检测装置，其特征在于，所述图像传感器一(13)和图像传感器二(14)所拍摄到的光斑的半径，为光斑的强度半峰全宽。

10.根据权利要求6所述的基于共焦光路像素差分的焦面检测装置，其特征在于，所述平行平顶光束在传播过程中由于光的衍射影响，对所述差分信号的处理使用图像处理算法对所述图像传感器一(13)和图像传感器二(14)获得的光斑信号进行优化。