专利名称：一种并行共焦检测系统及方法
技术领域：
本发明属于共焦成像技术领域，涉及一种共焦检测系统，尤其涉及一种并行共焦检测系统；同时，本发明还涉及上述并行共焦检测系统的并行共焦检测方法。
背景技术：
1957年，哈佛大学的博士后M. Minsky首次提出了共焦成像的概念，目的是希望消除普通光学显微镜在探测样品时产生的多种散射光，为此他提出一种新的成像模型-共焦成像。在这种成像模型中引入点光源，并使之成像于被测物表面上，被测物反射的光被很小的光强探测器(可以认为点探测器)接收。当点光源、被测物和点探测器三者共轭时，点探测器接收到的光强最大，当被测表面偏离共轭面时，点探测器接收到的光强变�。庖恍灾时砻鞅徊獗砻娴奈恢檬强梢匀范ǖ�。但是，由于当时受科技水平的限制，共焦技术在应用中一直停止不前，无任何重大进展。直到80年代，由于微电子、光电子技术的重大发展，共焦技术才成为研究的热点，其中Wilson和Sheppard提出了飞点剖面扫描获取全场三维深度信息的新概念，将共焦技术应用到全场三维轮廓检测领域。在共焦三维轮廓检测领域中，需要对被测样品进行轴向扫描和横向扫描。轴向扫描的目的是测量该点的高度，由于共焦显微镜采用点扫描技术，所以必须对样品进行横向扫描才能完成被测样品的整个表面的测量。现有的轴向扫描技术中绝大多数使用的是轴向位移台，高精度位移台不仅结构复杂，造价高，并且扫描速度慢，大大影响了测量速度。西安交通大学的李明周等把厚度不同的镜片安装到一个可移动的转盘上，通过他们来改变光程差，从而实现轴向的扫描。但是，由于引入机械转动，所以大大影响了测量精度。而并行横向扫描技术主要有Nipkow盘和微透镜阵列，能够解决单点式共焦显微镜的问题,但是Nipkow 盘和微透镜阵列在制作好之后光学参数就确定，不能实现柔性测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种并行共焦检测系统，可提高系统的稳定性及扫描速度。此外，本发明还提供一种并行共焦检测方法，可提高系统的稳定性及扫描速度。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种并行共焦检测系统，所述系统包括单色LED光源、数字微镜、两个透镜、分光棱镜、电控可变焦透镜、探测针孔、光强探测器、电压控制器、PC ；单色LED光源发出的光通过经过集光镜照射到数字微镜表面，光源被数字微镜调制后形成针孔阵列，再通过透镜变为平行光束，通过无偏振分光棱镜、电控可变焦透镜、聚焦的被测物表面，被测物反射的光经电控可变焦透镜、分光棱镜、透镜探测针孔，入射到光强阵列探测器上，通过PC记录光强度，通过数字微镜器件实现对样品的横向或轴向扫描；然后通过PC控制加到电控可变焦透镜上的电压，从而使可变焦透镜的焦距改变一个微小的值△￡，此时再记录探测器上的光强数值；根据扫描后得到的光强值，得到被测物对应点的轴向的位置；实现整个被测物表面的轴向扫描，从而可以对整个被测物表面轮廓的测量。一种上述的并行共焦检测系统的并行共焦检测方法，该方法具体包括如下步骤I)单色LED光源发出的光通过经过集光镜照射到数字微镜表面，光源被数字微镜调制后形成针孔阵列，再通过透镜变为平行光束，通过无偏振分光棱镜、电控可变焦透镜、 聚焦的被测物表面，被测物反射的光经可变焦透镜、分光棱镜、透镜探测针孔，入射到光强阵列探测器上，通过PC记录光强度；2) PC通过电压控制器控制加到电控可变焦透镜上的电压，从而使可变焦透镜的焦距改变一个微小的值Af，Af小于lum，此时再记录探测器上的光强数值，轴向扫描的次数 η通常稍大于N = H/△ f ;根据扫描后得到的光强值，得到被测物对应点的轴向的位置；3)通过PC按照控制数字微镜器件上的微镜打开或关闭，实现对被测物表面的扫描，假设微镜阵列生成的虚拟针孔阵列的周期为T，经过T2次扫描后，完成对整个被测物表面一层的测量。本发明的有益效果在于本发明提出的并行共焦检测系统及方法，应用的变焦液体透镜是通过对该透镜的两个电极施加电压后，内部液晶的折射率就会形成中心对称的指数分布，造成光线的偏折，达到聚光效果从而实现焦距变化的透镜。与传统的自动对焦镜头相比，液体透镜具有体积小、反应速度快、耗电量小、精确度高等优点。通过控制DMD芯片上的微镜，就可以形成任意形状的针孔阵列，光强阵列探测器 (C⑶或者CMOS)像素对应这些针孔的共焦像点，就可以对共焦扫描成像进行探测。这样并行扫描方式不仅大大提高扫描效率，还有较高的光能利用率，并且无机械振动影响，提高了系统的稳定性。本发明采用的变焦液体透镜和数字微镜器件分别作为共焦检测系统的轴向扫描手段和横向扫描方法，不仅实现了轴向无机械扫描，并且实现了横向并行扫描，大大提高了测量速度。解决了传统共焦显微镜轴向扫描带来的机械振动、摩擦和单点扫描速率慢等问题，增加了可靠性及测量精度。本发明提出的装置可以广泛应用于微机电系统、半导体器件的三维轮廓测量。相对于传统共焦显微技术，具有提高了扫描速度、实现了柔性测量、无机械振动的优点。
图I为本发明并行共焦检测系统的组成示意图。
具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。实施例一请参阅图1，本发明揭示了一种并行共焦检测系统，所述系统包括单色LED光源
I、聚光镜2、数字微镜3、控制板4、两个透镜6、分光镜5、电控可变焦透镜8、探测针孔、光强探测器10、电压控制器7、PC11、吸收板12。单色LED光源I发出的光通过经过聚光镜2照射到数字微镜DMD 3表面，通过控制板4将数字微镜DMD 3调制后形成针孔阵列，先通过无偏振分光棱镜5，(部分没有通过分光镜5的光被吸收板12吸收，不对光强阵列探测器CCD/CM0S 10接收光强造成影响)再通过镜筒透镜6，变为平行光束，通过电控可变焦透镜8、聚焦在被测物9表面上，被测物反射的光经可变焦透镜8、镜筒透镜6、分光棱镜5、入射到光强阵列探测器(XD/CM0S 10上，通过PC 11记录光强度。最后通过PCll记录光强度，从而实现横向扫描。通过数字微镜器件实现对样品的横向扫描，使得光能利用率和扫描速度得到大幅度提升。PCll通过电压控制器7，控制加到电控可变焦透镜8上的电压，造成内部液晶折射率的变化，从而使可变焦透镜的焦距改变一个微小的值Af (其大小通常小于Ium)，轴向扫描的次数η通常稍大于N = H/ Λ f。通过控制变焦液体透镜的焦距及扫描后得到的光强值， 得到被测物对应点的轴向的位置，从而实现轴向扫描。通过控制电控可变焦透镜焦距对样品进行轴向扫描，得到被测物的层析图像。该系统采用横向纵向并行的扫描的方式进行无机械三维扫描。通过PCll按照程序控制数字微镜器件上的微镜“0N”或者“OFF”实现对被测物表面的扫描，假设微镜阵列生成的虚拟针孔阵列的周期为T，经过T2次扫描后，完成对整个被测物表面一层的测量。在控制数字微镜DMD 3进行横向扫描的同时，该系统应用的电压控制器7给变焦液体透镜8施加电压，通过改变电压改变透镜的通光半径，液晶层的厚度以及液晶层中心位置与边缘处的折射率之差，控制变焦液体透镜的焦距及扫描后得到的光强值，得到被测物对应点的轴向的位置，从而实现轴向扫描。计算机控制软件负责将所进行并行扫描得到的有关数字微镜DMD 3及其电压控制器的数据8及其焦距有关数据，经过PCll处理，从而得到相应的三维数据，进行三维重建可以进行实现一种无机械扫描的并行共焦检测。实施例二一种上述的并行共焦检测系统的并行共焦检测方法，该方法具体包括如下步骤I)单色LED光源发出的光通过经过集光镜照射到数字微镜表面，光源被数字微镜调制后形成针孔阵列，再通过透镜变为平行光束，通过无偏振分光棱镜、电控可变焦透镜、 聚焦的被测物表面，被测物反射的光经可变焦透镜、分光棱镜、透镜探测针孔，入射到光强阵列探测器上，通过PC记录光强度；2) PC通过电压控制器控制加到电控可变焦透镜上的电压，从而使可变焦透镜的焦距改变一个微小的值Af，Af小于lum，此时再记录探测器上的光强数值，轴向扫描的次数 η通常稍大于N = H/△ f ;根据扫描后得到的光强值，得到被测物对应点的轴向的位置；3)通过PC按照控制数字微镜器件上的微镜打开或关闭，实现对被测物表面的扫描，假设微镜阵列生成的虚拟针孔阵列的周期为T，经过T2次扫描后，完成对整个被测物表面一层的测量。综上所述，本发明提出的并行共焦检测系统及方法，应用的变焦液体透镜是通过对该透镜的两个电极施加电压后，内部液晶的折射率就会形成中心对称的指数分布，造成光线的偏折，达到聚光效果从而实现焦距变化的透镜。与传统的自动对焦镜头相比，液体透镜具有体积小、反应速度快、耗电量小、精确度高等优点。这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
权利要求
1.一种并行共焦检测系统，其特征在于，所述系统包括单色LED光源、数字微镜、两个透镜、分光棱镜、电控可变焦透镜、探测针孔、光强探测器、电压控制器、PC ；单色LED光源发出的光通过经过集光镜照射到数字微镜表面，光源被数字微镜调制后形成针孔阵列，再通过透镜变为平行光束，通过无偏振分光棱镜、电控可变焦透镜、聚焦的被测物表面，被测物反射的光经电控可变焦透镜、分光棱镜、透镜探测针孔，入射到光强阵列探测器上，通过PC记录光强度，通过数字微镜器件实现对样品的横向或轴向扫描；然后通过PC控制加到电控可变焦透镜上的电压，从而使可变焦透镜的焦距改变一个微小的值△￡，此时再记录探测器上的光强数值；根据扫描后得到的光强值，得到被测物对应点的轴向的位置；实现整个被测物表面的轴向扫描，从而可以对整个被测物表面轮廓的测量。
2.—种权利要求I所述的并行共焦检测系统的并行共焦检测方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤1)单色LED光源发出的光通过经过集光镜照射到数字微镜表面，光源被数字微镜调制后形成针孔阵列，再通过透镜变为平行光束，通过无偏振分光棱镜、电控可变焦透镜、聚焦的被测物表面，被测物反射的光经可变焦透镜、分光棱镜、透镜探测针孔，入射到光强阵列探测器上，通过PC记录光强度；2)PC通过电压控制器控制加到电控可变焦透镜上的电压，从而使可变焦透镜的焦距改变一个微小的值Af，Af小于lum，此时再记录探测器上的光强数值，轴向扫描的次数η通常稍大于N = H/Af ;根据扫描后得到的光强值，得到被测物对应点的轴向的位置；3)通过PC按照控制数字微镜器件上的微镜打开或关闭，实现对被测物表面的扫描，假设微镜阵列生成的虚拟针孔阵列的周期为T，经过T2次扫描后，完成对整个被测物表面一层的测量。
全文摘要
本发明揭示了一种并行共焦检测系统及方法，所述系统包括单色LED光源、数字微镜、两个透镜、分光棱镜、电控可变焦透镜、探测针孔、光强探测器、电压控制器、PC。单色LED光源发出的光通过经过集光镜照射到数字微镜表面，光源被数字微镜调制后形成针孔阵列，再通过透镜变为平行光束聚焦的被测物表面，被测物反射的光入射到光强阵列探测器上，通过PC记录光强度，通过数字微镜器件实现对样品的横向或轴向扫描。通过PC控制加到电控可变焦透镜上的电压，使可变焦透镜的焦距改变一个微小的值Δf，此时再记录探测器上的光强数值；根据扫描后得到的光强值，得到被测物对应点的轴向的位置；对整个被测物表面轮廓的测量。本发明可提高系统的稳定性及扫描速度。
文档编号G01B11/24GK102589471SQ201210057590
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月6日 优先权日2012年3月6日
发明者侯文玫, 句爱松, 张运波, 彭博方, 杨召雷, 胡凯, 董洪波 申请人:上海理工大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
