[發明專利]一種干涉顯微鏡自動對焦裝置及方法

有效

• 申請號: 201910619990.X
• 申請日: 2019-07-10
• 公開（公告）號: CN110260783B
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）人: 劉乾;李璐璐;張輝;黃小津
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院機械制造工藝研究所
• 主分類號: G01B9/04
• 分類號: G01B9/04;G01B9/02;G02B21/24;G02B21/36
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 伍星

本發明公開了一種干涉顯微鏡自動對焦裝置及方法，照明單元發出準直光束，準直光束經照明分光鏡反射后形成照明光束，照明光束通過顯微物鏡后一部分被干涉分光鏡反射形成參考光束，另外一部分透射經過干涉分光鏡形成測試光束；參考光束依次被參考鏡、干涉分光鏡反射，之后依次透射經過顯微物鏡、照明分光鏡、管鏡，在相機上形成參考光斑；測試光束照射在樣品上后被反射，依次透射經過干涉分光鏡、顯微物鏡、照明分光鏡、管鏡，在相機上形成測試光斑。本發明用以解決現有技術中干涉顯微鏡的對焦方法存在的耗時久、體積大和可靠性不足的問題，實現不增大干涉顯微鏡儀器體積，能夠快速可靠的自動對焦，且對焦過程操作簡便、自動化程度高的目的。

技術領域

本發明涉及干涉顯微鏡領域，具體涉及一種干涉顯微鏡自動對焦裝置及方法。

背景技術

干涉顯微鏡是一種重要的表面形貌和膜層檢測工具，廣泛應用于機械、電子、光學、材料等領域。干涉顯微鏡集成了顯微鏡與干涉測量功能，利用顯微物鏡將被測樣品表面放大，能夠獲得表面精細的結構。干涉顯微鏡經過精密裝調，使參考鏡位于顯微物鏡的物面上，保證了清晰成像的同時也能獲得高對比度的干涉條紋。干涉顯微鏡需在準焦狀態下工作，準焦指清晰成像并出現干涉條紋，反之稱為“離焦”。因此，尋找清晰成像位置和干涉條紋(稱為“對焦”)是干涉顯微鏡測量時的必須操作步驟。顯微物鏡成像的軸向范圍取決于景深(由物鏡的數值孔徑決定)，大約在微米量級至數十微米量級，采用短相干照明光源時干涉條紋的高對比度范圍約在十微米量級。因此，干涉顯微鏡的對焦過程非常耗時。有經驗的操作人員一般依靠人眼對樣品表面的紋理和結構等顯著特征的成像清晰度的變化情況判斷對焦效果，從而提高效率。然而，當樣品表面的特征不顯著時(如光學級表面)，對焦過程會耗費更多的時間，測量效率會大大降低。而且，這種人眼判斷的對焦效果的方法也不利于儀器的自動化。

目前，干涉顯微鏡大多通過判斷干涉條紋清晰度的方法實現自動調焦(吳志順等，基于閾值判定法的白光干涉儀自動掃描技術研究，中國機械工程，2012；李勇等，Linnik白光干涉儀自動對焦及光程差最小化，光電工程，2012；郭彤等，采用變速白光掃描干涉術測量大尺度臺階結構，光電子激光，2012)。這種方法利用了干涉顯微鏡物面上干涉條紋對比度最高的特點，通過采集不同軸向位置的干涉條紋并計算其對比度或清晰度，再加以搜索算法進而尋找最高對比度的軸向位置，進而實現自動調焦。然而，由于干涉條紋存在的軸向范圍為十微米量級，因此該方法仍然需要首先尋找到干涉條紋。此外，由于干涉條紋的對比度在軸向上是一個類似于高斯函數的對稱曲線，使得該方法在判斷離焦量時不具有方向性，因此無法通過干涉條紋直接區分遠焦(遠離物鏡)和近焦(靠近物鏡)，只能通過連續采集一系列的干涉條紋或通過條紋對比度與軸向位置變化來判斷。因此，該方法的操作時間較長、數據量和計算量比較大。

此外，還有研究人員提出在干涉顯微鏡中設置專門的離焦量檢測光路以實現自動對焦，而不依賴于干涉條紋。盧榮勝等在干涉顯微鏡中增加了圓柱透鏡和四象限探測器，通過離焦量引入的像散判斷離焦大小和方向，然后驅動位移臺從而實現了自動對焦(J.Donget al,Automated determination of best focus and minimization of optical pathdifference in Linnik white light interferometry,Applied Optics,2011)。L.L.Deck等采用三角法的原理，用激光照射到樣品表面上，再采用位置探測器對表面反射光斑的位置進行探測，通過控制樣品表面的高度實現了自動對焦(L.L.Deck,Large-aperture,equal-path interferometer for precision measurements of flat transparentsurfaces,Applied Optics,2014)。但這兩種方法都需要引入額外的探測光路，導致儀器的體積增大，而且當樣品表面有傾斜時可能會導致方法失效。

發明內容