[发明专利]基于空间平移变换的数字差动共焦测量装置与方法

说明书

技术领域

基于空间平移变换的数字差动共焦测量装置与方法属于超精密三维微细结构表面形貌测量领域，主要涉及一种基于空间平移变换原理的虚拟数字差动共焦测量装置与方法。 

背景技术

共焦测量技术最早是由M.Minsky于1957年提出，并于1961年获得了美国专利，专利号US3013467，其基本技术思想是通过引入针孔探测器抑制杂散光，并产生了轴向层析能力，该技术的不足之处在于，轴向响应信号在测量面准焦区域附近测量灵敏度不高。差动共焦测量技术是克服上述不足的重要改进方法之一。 

中国专利公开号CN1209599C，发明名称为具有高空间分辨力的差动共焦扫描检测方法，公开了一种具有高空间分辨力的差动共焦扫描检测方法，该发明利用差动共焦原理和超分辨光瞳滤波原理，通过双接收光路布置和双探测器相减，实现轴向分辨力的提高；通过在光路中引入超分辨光瞳滤波器，实现横向分辨力的提高，进而具有三维高空间分辨力的测量优点。但是该发明通过引入双接收光路布置和双探测器相减的硬件设计实现差动共焦原理，从而不可避免具有下述三种缺点：第一，两个探测器光电转换特性曲线无法完全一致，两个针孔的空间位置无论如何精密调整也无法保证完全对称，进而又引入了差动原理无法去除的非共模噪声，降低了测量精度；第二，两个针孔分别置于焦平面前后，而不是准焦平面位置，导致不满足光学共轭关系，引入离焦误差；第三，两个针孔的离焦距离固定，其对应差动传感曲线只能最佳匹配一个显微物镜，当切换至不同放大倍率的显微物镜时，引入参数不匹配误差。上述三种误差的存在，降低了该类差动共焦测量装置测量精度。同时双接收光路和双探测器的硬件设计增加了装置的成本。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明设计了一种基于空间平移变换的数字差动共焦测量装置与方法；该装置与方法通过对差动共焦原理硬件与软件实现方式的深刻理解与优化，创造性的提出了利用一个共焦探测器的输出结果，通过空间平移变换的数字处理方法，重构出两个虚拟的数字差分信号，进而完成整个差动共焦测量过程。该装置与方法因其独特单共焦探测器硬件设计，故具有以下三个优点：两路虚拟差动信号的光电转换特性曲线完全一致， 两个虚拟针孔的空间位置完全对称；第二，单共焦探测器可以放置在成像系统的准焦平面位置，该位置是获得光学系统高分辨力的最佳位置；第三，差动共焦原理中针对不同放大倍率的显微物镜需要对应不同的针孔离焦量，本装置与方法中针孔离焦量对应探测器信号数值数组的平移点数，故其可以由计算机进行自动调整。同时单共焦探测器的设计可以降低硬件购置成本。 

本发明的目的是这样实现的： 

基于空间平移变换的数字差动共焦测量装置，包括激光器、聚焦透镜、照明针孔、准直透镜、偏振分光棱镜、四分之一波片、显微物镜、被测样品、载物台、管镜、探测针孔和光电探测器；激光器发出的平行光束经过聚焦透镜汇聚进入置于聚焦透镜前焦平面处的照明针孔，照明针孔同时置于准直透镜的后焦平面处，从照明针孔出射的发散光束经过准直透镜形成平行光束，由偏振分光棱镜反射，依次经过四分之一波片和显微物镜聚焦在载物台上的被测样品表面，形成点照明光路；被测样品将照明光束反射，依次通过显微物镜、四分之一波片、偏振分光棱镜和管镜后，汇聚到置于管镜前焦平面的探测针孔，并被光电探测器收集，形成点探测光路。 

上述基于空间平移变换的数字差动共焦测量装置，所述探测针孔的直径小于管镜对应的聚焦光斑直径。 

基于空间平移变换的数字差动共焦测量方法，包括以下步骤： 

步骤a、载物台沿竖直方向等间距做层析式步进，光电探测器记录每个层析位置对应的光电信号数值； 

步骤b、利用计算机将步骤a得到的光电信号数值数组分别做相同点数增量和减量平移，得到两个虚拟差分光电探测器信号，其中错开位置补零； 

步骤c、根据差动共焦原理，将步骤b得到的两个虚拟差分光电探测器信号相减，将相减结果为零的测量点对应的序号乘以层析步进距离，得到该测量点在竖直方向的位置； 

步骤d、记录该测量点的水平方向位置，并沿水平方向移动载物台，使下一个待测点移动至测量位置； 

步骤e、判断是否完成所有被测点的测量， 

未完成，进入步骤a； 

完成，进入步骤f； 

步骤f、根据所有测量点记录的竖直位置和水平位置，利用计算机重构出被测样品的 三维形貌。 

上述基于空间平移变换的数字差动共焦测量方法，所述的步骤b中，光电信号数值数组进行增量和减量平移的点数，由当前使用显微物镜的放大倍率确定。 

有益效果：