专利名称：采用电控变焦透镜作为共焦显微系统轴向扫描方法
技术领域：
本发明涉及一种扫描技术，特别涉及一种采用电控可变焦透镜作为共焦显微系统 的轴向扫描技术。
背景技术：
1957，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小，这一性质表 明被测表面的位置是可以确定的。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，轴向扫描极为重要，它直接关系到实际轴向测量精 度。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。

发明内容
本发明是针对现有采用位移台的轴向扫描方式造价高，扫描速度慢的问题，提出 了一种采用电控变焦透镜作为共焦显微系统轴向扫描方法，基于电控可变焦透镜的三维共 焦检测系统对每一层进行轴向扫描，通过精确控制可变焦透镜的焦距对物体进行轴向逐层 扫描，扫描速度快，降低了成本。本发明的技术方案为一种采用电控变焦透镜作为共焦显微系统轴向扫描方法， 具体包括如下步骤1)激光器发出的波长为633nm激光光束通过照明针孔形成具有发散角的光束，再 通过第一透镜，变为平行光束，依次通过无偏振分光棱镜和电控可变焦透镜聚焦在被测物 表面，被测物反射的光经可变焦透镜、分光棱镜、第二透镜探测针孔，入射到光强探测器上， 通过PC机记录光强度；2) PC机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Δ ·，此时再记录探测器上的光强数值，重复调整焦距，得到对应的 光强，根据扫描后得到的光强值，可以得到被测物对应点的轴向的位置；3)然后通过PC机控制X-Y位移台移动被固定在位移台上的被测物，重复步骤1) 和2)进行移动后对应点的位置扫描，直到完成整个被测物表面的扫描，从而实现对整个被测物表面轮廓的测量。所述步骤2)中焦距改变一个微小的值Δ f，Δ f小于lum。重复调整焦距为n，即 轴向扫描的次数，大于H/ △ f，其中H为被测物表面的最大高度值。本发明的有益效果在于本发明采用电控变焦透镜作为共焦显微系统轴向扫描方 法，实现了轴向无机械扫描，不仅提高了系统的稳定性，而且大大提高了扫描速度。并且减 小了系统的复杂度和成本。


图1为本发明采用电控变焦透镜的共焦显微系统光路示意图。
具体实施例方式通过控制电控可变焦透镜焦距对样品进行轴向扫描，利用X-Y位移台对样品进行 扫描位置变动，得到被测物的层析图像。最后对采集到的层析图像进行三维重建，得到被测 物的表面轮廓图。具体如图1所示采用电控变焦透镜的共焦显微系统光路示意图，系统包 括激光光源1、照明针孔2、两个透镜3和8、分光棱镜4、电控可变焦透镜5、探测针孔10、光 强探测器11、二维位移台7、电压控制器9、PC机12。激光1光束通过照明针孔2形成具有 一定发散角的光束，再通过透镜3，变为平行光束，通过无偏振分光棱镜4、电控可变焦透镜 5聚焦的被测物6表面，被测物6反射的光经可变焦透镜5、分光棱镜4、透镜8、探测针孔10， 入射到光强探测器11上，通过PC机12记录光强度。PC机12通过电压控制器9控制加到 电控可变焦透镜5上的电压，从而改变可变焦透镜5的焦距，通过PC机12控制X-Y位移台 7移动(被测物固定在位移台上)。实现方法1)激光器1发出的波长为633nm激光光束通过照明针孔2形成具有一定发散角的 光束，再通过透镜3，变为平行光束，通过无偏振分光棱镜4、电控可变焦透镜5聚焦在被测 物6表面，被测物6反射的光经可变焦透镜5、分光棱镜4、透镜8探测针孔10，入射到光强 探测器11上，通过PC机12记录光强度。2) PC机12通过电压控制器9控制加到电控可变焦透镜5上的电压，从而使可变焦 透镜5的焦距改变一个微小的值Δ f (其大小通常小于lum)，此时再记录探测器11上的光 强数值，轴向扫描的次数η通常稍大于N = H/Δ f，其中H为被测物表面的最大高度值。根 据扫描后得到的光强值，我们可以得到被测物对应点的轴向的位置。3)然后通过PC机12控制X-Y位移台7移动被固定在位移台上的被测物6，从而 实现整个被测物表面的扫描，从而可以对整个被测物表面轮廓的测量。
权利要求
一种采用电控变焦透镜作为共焦显微系统轴向扫描方法，其特征在于，具体包括如下步骤1)激光器(1)发出的波长为633nm激光光束通过照明针孔(2)形成具有发散角的光束，再通过第一透镜(3)，变为平行光束，依次通过无偏振分光棱镜(4)和电控可变焦透镜(5)聚焦在被测物(6)表面，被测物(6)反射的光经可变焦透镜(5)、分光棱镜(4)、第二透镜(8)探测针孔(10)，入射到光强探测器(11)上，通过PC机(12)记录光强度；2)PC机(12)通过电压控制器(9)控制加到电控可变焦透镜(5)上的电压，从而使可变焦透镜(5)的焦距改变一个微小的值Δf，此时再记录探测器(11)上的光强数值，重复调整焦距，得到对应的光强，根据扫描后得到的光强值，利用极值搜索法或高斯拟合法计算出被测物对应点的轴向位置；3)然后通过PC机(12)控制X Y位移台(7)移动被固定在位移台(7)上的被测物(6)，重复步骤1)和2)进行移动后对应点的位置扫描，直到完成整个被测物表面的扫描，从而实现对整个被测物表面轮廓的测量。
2.根据权利要求1所述采用电控变焦透镜作为共焦显微系统轴向扫描方法，其特征在 于，所述步骤2)中焦距改变一个微小的值Af，Af小于lum。
3.根据权利要求2所述采用电控变焦透镜作为共焦显微系统轴向扫描方法，其特征在 于，所述步骤2)重复调整焦距为n，即轴向扫描的次数，大于H/ Δ f，其中H为被测物表面的 最大高度值。
全文摘要
本发明涉及一种采用电控变焦透镜作为共焦显微系统轴向扫描方法，构建电控变焦透镜的共焦显微系统，通过控制电控可变焦透镜焦距对样品上(x，y)点进行轴向扫描，得到变焦透镜焦距不同距时探测器的光强值，利用极值搜索法或高斯拟合法计算出样品上该点的轴向位置，利用X-Y位移台对样品进行位置进行调节，得到整个样品表面的形貌图。此方法实现了轴向无机械扫描，不仅提高了系统的稳定性，而且大大提高了扫描速度。并且减小了系统的复杂度和成本。
文档编号G01B11/24GK101915555SQ20101022306
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月9日 优先权日2010年7月9日
发明者张运波 申请人:上海理工大学