[發明專利]一種激光差動共焦層析定焦方法與裝置

有效

• 申請號: 201811342275.8
• 申請日: 2018-11-13
• 公開（公告）號: CN109253989B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 趙維謙;邱麗榮;楊帥;王允
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01N21/63
• 分類號: G01N21/63;G01N21/01
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發明涉及一種激光差動共焦層析定焦方法與裝置，屬于光學成像與檢測技術領域。該方法利用后置光瞳遮擋一半測量光束，使用分光瞳差動共焦探測系統對未被遮擋的測量光束進行探測，并利用差動共焦響應曲線的絕對零點來實現高精度層析定焦。將激光差動共焦技術與光線追跡技術有機融合，建立光線追跡及其補償模型以消除各定焦表面參數之間的影響，并通過線性擬合絕對零點附近的數據實現快速觸發定焦。本發明僅使用一路探測器即可得出差動共焦響應曲線，并利用差動共焦響應曲線的絕對零點實現層析定焦，系統結構及裝調過程大大簡化，同時避免了調整不準所引入的誤差，定焦精度大幅提高。本發明將為共焦成像/檢測領域提供一種新的技術途徑。

技術領域

本發明屬于光學成像與檢測技術領域，可用于光學元件、光學系統、非光學球面元件測量技術領域等。

背景技術

光學測量領域存在一個共性問題：由于受衍射極限的限制，制約了光學測量定焦能力的進一步提升，進而制約了檢測儀器精度性能的改善提高。例如，球面光學元件參數測量中，除了面形參數之外，其曲率半徑、透鏡厚度、折射率、焦距、鏡組間隔的高精度測量主要取決于光學測量元件界面間的定焦精度，特別是光學元件界面間的層析定焦精度。實際上，如何提高光學測量的定焦精度，特別是層析定焦精度，是光學元件測量領域亟待解決的關鍵共性問題。

眾多定焦瞄準方法中，自準直干涉定焦法由于具有較高的定焦靈敏度而在高精度的測量中被廣泛應用，但現有干涉定焦法卻存在以下致命的問題：

1)無層析定焦能力。干涉定焦主要用于元件表面的定焦瞄準，制約了其在透鏡折射率、厚度和間隔等涉及內部界面參數測量的應用；

2)抗表面散射能力差。表面散射將破壞干涉形成條件，進而使干涉定焦難以適應非完善拋光表面光學元件、金屬表面和陶瓷表面等測量領域，阻礙了干涉定焦測量方法的適應范圍；

3)干涉定焦速度慢。基于全幅干涉定焦圖像采集分析的干涉定焦法，勢必降低光學定焦的速度與精度，難以實現快速定焦測量，導致測量時間長、系統漂移大，最終影響測量精度；

4)抗環境干擾能力差。干涉定焦法高靈敏的特征使其對環境氣流擾動極度敏感，這在大尺寸的超長焦距和超大曲率半徑測量中顯得尤為突出，制約了其在大曲率半徑和超長焦距測量中的應用。

而由美國學者M.Minsky于1957年提出的共焦顯微技術，由于其點照明和點探測的新型成像機制，使共焦顯微技術具有光學領域獨特的層析成像能力、高分辨成像能力和抗樣品散射能力，這就為光學層析定焦提供了基礎和前提。

共焦顯微鏡的基本原理如圖1所示，點光源發出的光經過分束鏡、準直透鏡和物鏡在被測樣品前表面聚焦，經被測樣品反射的測量光束沿原路返回，再通過分束鏡反射將來自樣品的測量光聚焦到置于光電探測器前的針孔內，在光電探測器處形成點探測，光電探測器接收來自物鏡焦點處的測量光，焦點以外的返回光被針孔遮擋。當被測樣品位于物鏡的焦平面時，光電探測器接收到的光強最大，當被測樣品偏離焦平面時，反射光被聚焦在針孔前或后的某一位置，此時光電探測器僅接收少部分光能量，也就是說被測樣品在離焦時探測到的光強要比在焦平面時弱，光電探測器測得共焦軸向響應曲線，共焦顯微鏡通過確定共焦軸向響應曲線的峰值點位置便可測得被測樣品的高度位置。

共焦顯微鏡軸向分辨能力通常通過其共焦軸向響應曲線的半高寬FWHM來表征，FWHM越小，軸向分辨能力越強。但由于受衍射極限等因素的限制，僅通過增大物鏡數值孔徑NA和減小光波波長λ等來改善共焦顯微鏡軸向分辨的能力有限。

為了規避衍射焦深對軸向分辨能力和定焦精度的影響，本發明人曾申請中國專利“具有高空間分辨率的差動共焦掃描檢測方法”(專利號：ZL200410006359.6)，顯著提升了共焦顯微系統的軸向分辨能力、軸向定焦能力和環境抗擾動能力，但是該專利技術由于使用兩路探測光路來進行差動相減探測，因此存在裝調精度要求高、系統復雜等不足，同時該高分辨差動共焦顯微技術主要針對顯微成像技術領域。