[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

说明书

本发明公开了一种基于共焦光路像素差分的焦面检测方法，该方法基于分别放置在共焦差分光路中的焦前和焦后位置上的两路图像传感器，通过将两路图像传感器获取的离焦光斑形状进行差分，结合后期图像处理，实现了焦面的实时探测跟踪与补偿。还公开了一种基于共焦光路像素差分的焦面检测装置，包括位于光学系统中心光轴上依次排布的光源、滤波准直装置、二分之一波片、偏振分光棱镜、四分之一波片、物镜、样品，以及与偏振分光棱镜共轴依次布置的会聚透镜、分光棱镜和两路图像传感器。本发明与现有的其他焦面检测方法相比，具有装置简单，抗干扰能力强的优点，能实现高精度焦面跟踪定位与补偿。

技术领域

本发明涉及光学精密检测技术领域，尤其涉及一种基于共焦光路像素差分的焦面检测方法及装置，可用于光学系统中的定焦和焦面跟踪补偿。

背景技术

共焦显微技术由于其独特的切片能力，可实现样品平面的轴向扫描和3D成像，已经被广泛的应用于光学加工、工程物理、生物医学工程和精密测量等领域。然而，传统的共焦技术仍有一些不足之处，比如信噪比低，抗干扰能力差，测量精度容易受到光源强度、环境照明的干扰和被测表面的反射特性的影响，测量过程中自身的机械不稳定性和环境振动不可避免的引入物体位置轴向漂移，线性度差、无绝对零点等缺点。因此在日趋成熟的微纳结构检测领域，传统的共焦显微已经不能满足当代科学研究对光学测量高分辨率的要求。

与传统共焦相比，差动共焦将两路探测器的信号进行差分，具有焦点判别能力强，灵敏度高，抗干扰能力强、具有绝对零位的优点，可进行双极性绝对跟踪测量。目前，绝大部分激光差动共焦扫描成像光路中，普遍采用的是能量探测法，即共焦光束分别经过针孔再被探测器(光电倍增管)接收。两路探测针孔相对会聚透镜的焦点有轴向偏移并且对称放置，通过压电陶瓷驱动控制物镜的位置，样品表面位于焦平面时，共焦光束经两路针孔得到的衍射斑强度极值相等，差分信号为零，实现对样品表面的精确聚焦。针孔衍射模型中的强度极大值与离焦量间存在非线性关系，因此这种方法严重依赖于两针孔摆放位置的精确度。同时整个光路系统存在线性范围窄、调试较为困难等缺点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于共焦光路像素差分的焦面检测方法，该方法属于差动共焦检测技术的其中一种，具有差动共焦技术焦点判别能力强、灵敏度高、抗干扰能力强的优点，同时不采用针孔，避免了衍射强度极值变化非线性的问题；采用图像传感器CCD作为探测器，通过对探测器上的光斑形状进行差分实现定焦的目的。另外，该方法可根据系统所需要的检焦精度，灵活的设置系统光学参数，可做到大范围粗检焦和小范围精检焦。本发明还设计了一套可以实现该方法的基于共焦光路像素差分的焦面检测装置。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于共焦光路像素差分的焦面检测方法，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。

进一步地，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。