一種并行共焦檢測系統及方法技術方案

本發明專利技術揭示了一種并行共焦檢測系統及方法，所述系統包括單色LED光源、數字微鏡、兩個透鏡、分光棱鏡、電控可變焦透鏡、探測針孔、光強探測器、電壓控制器、PC。單色LED光源發出的光通過經過集光鏡照射到數字微鏡表面，光源被數字微鏡調制后形成針孔陣列，再通過透鏡變為平行光束聚焦的被測物表面，被測物反射的光入射到光強陣列探測器上，通過PC記錄光強度，通過數字微鏡器件實現對樣品的橫向或軸向掃描。通過PC控制加到電控可變焦透鏡上的電壓，使可變焦透鏡的焦距改變一個微小的值Δf，此時再記錄探測器上的光強數值；根據掃描后得到的光強值，得到被測物對應點的軸向的位置；對整個被測物表面輪廓的測量。本發明專利技術可提高系統的穩定性及掃描速度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于共焦成像
，涉及一種共焦檢測系統，尤其涉及一種并行共焦檢測系統；同時，本專利技術還涉及上述并行共焦檢測系統的并行共焦檢測方法。
技術介紹
1957年，哈佛大學的博士后M. Minsky首次提出了共焦成像的概念，目的是希望消除普通光學顯微鏡在探測樣品時產生的多種散射光，為此他提出一種新的成像模型-共焦成像。在這種成像模型中引入點光源，并使之成像于被測物表面上，被測物反射的光被很小的光強探測器(可以認為點探測器)接收。當點光源、被測物和點探測器三者共軛時，點探測器接收到的光強最大，當被測表面偏離共軛面時，點探測器接收到的光強變小，這一性質表明被測表面的位置是可以確定的。但是，由于當時受科技水平的限制，共焦技術在應用中一直停止不前，無任何重大進展。直到80年代，由于微電子、光電子技術的重大發展，共焦技術才成為研究的熱點，其中Wilson和Sheppard提出了飛點剖面掃描獲取全場三維深度信息的新概念，將共焦技術應用到全場三維輪廓檢測領域。在共焦三維輪廓檢測領域中，需要對被測樣品進行軸向掃描和橫向掃描。軸向掃描的目的是測量該點的高度，由于共焦顯微鏡采用點掃描技術，所以必須對樣品進行橫向掃描才能完成被測樣品的整個表面的測量。現有的軸向掃描技術中絕大多數使用的是軸向位移臺，高精度位移臺不僅結構復雜，造價高，并且掃描速度慢，大大影響了測量速度。西安交通大學的李明周等把厚度不同的鏡片安裝到一個可移動的轉盤上，通過他們來改變光程差，從而實現軸向的掃描。但是，由于引入機械轉動，所以大大影響了測量精度。而并行橫向掃描技術主要有Nipkow盤和微透鏡陣列，能夠解決單點式共焦顯微鏡的問題,但是Nipkow 盤和微透鏡陣列在制作好之后光學參數就確定，不能實現柔性測量。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是提供一種并行共焦檢測系統，可提高系統的穩定性及掃描速度。此外，本專利技術還提供一種并行共焦檢測方法，可提高系統的穩定性及掃描速度。為解決上述技術問題，本專利技術采用如下技術方案一種并行共焦檢測系統，所述系統包括單色LED光源、數字微鏡、兩個透鏡、分光棱鏡、電控可變焦透鏡、探測針孔、光強探測器、電壓控制器、PC ；單色LED光源發出的光通過經過集光鏡照射到數字微鏡表面，光源被數字微鏡調制后形成針孔陣列，再通過透鏡變為平行光束，通過無偏振分光棱鏡、電控可變焦透鏡、聚焦的被測物表面，被測物反射的光經電控可變焦透鏡、分光棱鏡、透鏡探測針孔，入射到光強陣列探測器上，通過PC記錄光強度，通過數字微鏡器件實現對樣品的橫向或軸向掃描；然后通過PC控制加到電控可變焦透鏡上的電壓，從而使可變焦透鏡的焦距改變一個微小的值△￡，此時再記錄探測器上的光強數值；根據掃描后得到的光強值，得到被測物對應點的軸向的位置；實現整個被測物表面的軸向掃描，從而可以對整個被測物表面輪廓的測量。一種上述的并行共焦檢測系統的并行共焦檢測方法，該方法具體包括如下步驟I)單色LED光源發出的光通過經過集光鏡照射到數字微鏡表面，光源被數字微鏡調制后形成針孔陣列，再通過透鏡變為平行光束，通過無偏振分光棱鏡、電控可變焦透鏡、 聚焦的被測物表面，被測物反射的光經可變焦透鏡、分光棱鏡、透鏡探測針孔，入射到光強陣列探測器上，通過PC記錄光強度；2) PC通過電壓控制器控制加到電控可變焦透鏡上的電壓，從而使可變焦透鏡的焦距改變一個微小的值Af，Af小于lum，此時再記錄探測器上的光強數值，軸向掃描的次數 η通常稍大于N = H/△ f ;根據掃描后得到的光強值，得到被測物對應點的軸向的位置；3)通過PC按照控制數字微鏡器件上的微鏡打開或關閉，實現對被測物表面的掃描，假設微鏡陣列生成的虛擬針孔陣列的周期為T，經過T2次掃描后，完成對整個被測物表面一層的測量。本專利技術的有益效果在于本專利技術提出的并行共焦檢測系統及方法，應用的變焦液體透鏡是通過對該透鏡的兩個電極施加電壓后，內部液晶的折射率就會形成中心對稱的指數分布，造成光線的偏折，達到聚光效果從而實現焦距變化的透鏡。與傳統的自動對焦鏡頭相比，液體透鏡具有體積小、反應速度快、耗電量小、精確度高等優點。通過控制DMD芯片上的微鏡，就可以形成任意形狀的針孔陣列，光強陣列探測器 (C⑶或者CMOS)像素對應這些針孔的共焦像點，就可以對共焦掃描成像進行探測。這樣并行掃描方式不僅大大提高掃描效率，還有較高的光能利用率，并且無機械振動影響，提高了系統的穩定性。本專利技術采用的變焦液體透鏡和數字微鏡器件分別作為共焦檢測系統的軸向掃描手段和橫向掃描方法，不僅實現了軸向無機械掃描，并且實現了橫向并行掃描，大大提高了測量速度。解決了傳統共焦顯微鏡軸向掃描帶來的機械振動、摩擦和單點掃描速率慢等問題，增加了可靠性及測量精度。本專利技術提出的裝置可以廣泛應用于微機電系統、半導體器件的三維輪廓測量。相對于傳統共焦顯微技術，具有提高了掃描速度、實現了柔性測量、無機械振動的優點。附圖說明圖I為本專利技術并行共焦檢測系統的組成示意圖。具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本專利技術的優選實施例。實施例一請參閱圖1，本專利技術揭示了一種并行共焦檢測系統，所述系統包括單色LED光源I、聚光鏡2、數字微鏡3、控制板4、兩個透鏡6、分光鏡5、電控可變焦透鏡8、探測針孔、光強探測器10、電壓控制器7、PC11、吸收板12。單色LED光源I發出的光通過經過聚光鏡2照射到數字微鏡DMD 3表面，通過控制板4將數字微鏡DMD 3調制后形成針孔陣列，先通過無偏振分光棱鏡5，(部分沒有通過分光鏡5的光被吸收板12吸收，不對光強陣列探測器CCD/CM0S 10接收光強造成影響)再通過鏡筒透鏡6，變為平行光束，通過電控可變焦透鏡8、聚焦在被測物9表面上，被測物反射的光經可變焦透鏡8、鏡筒透鏡6、分光棱鏡5、入射到光強陣列探測器(XD/CM0S 10上，通過PC 11記錄光強度。最后通過PCll記錄光強度，從而實現橫向掃描。通過數字微鏡器件實現對樣品的橫向掃描，使得光能利用率和掃描速度得到大幅度提升。PCll通過電壓控制器7，控制加到電控可變焦透鏡8上的電壓，造成內部液晶折射率的變化，從而使可變焦透鏡的焦距改變一個微小的值Af (其大小通常小于Ium)，軸向掃描的次數η通常稍大于N = H/ Λ f。通過控制變焦液體透鏡的焦距及掃描后得到的光強值， 得到被測物對應點的軸向的位置，從而實現軸向掃描。通過控制電控可變焦透鏡焦距對樣品進行軸向掃描，得到被測物的層析圖像。該系統采用橫向縱向并行的掃描的方式進行無機械三維掃描。通過PCll按照程序控制數字微鏡器件上的微鏡“0N”或者“OFF”實現對被測物表面的掃描，假設微鏡陣列生成的虛擬針孔陣列的周期為T，經過T2次掃描后，完成對整個被測物表面一層的測量。在控制數字微鏡DMD 3進行橫向掃描的同時，該系統應用的電壓控制器7給變焦液體透鏡8施加電壓，通過改變電壓改變透鏡的通光半徑，液晶層的厚度以及液晶層中心位置與邊緣處的折射率之差，控制變焦液體透鏡的焦距及掃描后得到的光強值，得到被測物對應點的軸向的位置，從而實現軸向掃描。計算機控制軟件負責將所進行并行掃描得到的有關數字微鏡DMD 3及其電壓控制器的數據8及其焦距有關數據，經過PCll處理，從而得到相應的三維數據，進行三維重建可本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：張運波，楊召雷，句愛松，彭博方，董洪波，胡凱，侯文玫，
申請(專利權)人：上海理工大學，
類型：發明
國別省市：