双波长双共焦激光显微测量装置与测量方法与流程

本发明涉及本发明涉及光学精密检测技术领域，具体涉及一种基于乘法运算，采用双波长双共焦探测结构的激光显微测量装置与测量方法。

背景技术：

激光共焦技术是精密位移测量、生物医学检测领域常用的一种高分辨测量技术，相对于普通的光学显微镜，激光共焦显微镜采用点照明-点探测的总体光学结构，有效地抑制了杂散光对系统成像的影响，其横向分辨力和轴向分辨力均得到了显著的提高。

传统的激光共焦测量技术利用共焦系统轴向响应曲线极值点对样品表面位移进行定焦及高度测量，由于共焦系统轴向响应曲线极值点位置光强变化率为零，系统噪声也可能导致极值点位置出现一定的波动，故基于极值点探测的共焦系统轴向分辨能力有限。为了提高共焦显微系统的轴向分辨力和成像效率，1997年，chau-hwanglee提出了一种差分共焦显微成像方法，该方法利用共焦系统轴向响应曲线具有良好线性特性的斜边区域进行传感测量，提高了共焦系统的轴向分辨力(chau-hwanglee,jyhpyngwang.noninterferometricdifferentialconfocalmicroscopywith2-nmdepthresolution[j].opticscommunications,1997,v135(4-6):233-237)。2000年，王富生等人提出差动共焦探测方法，该方法采用双共焦探测光路结构，通过对共焦系统焦前和焦后的轴线响应曲线进行差动探测，有效抑制了系统噪声，进一步提高了系统的轴向分辨力(wangfusheng,tanjiubin,zhaoweiqian.theopticalprobeusingconfocaltechniqueforsurfaceprofilemeasurement[c].spie,2000,4222:194-197)。2004年，赵维谦等人提出光瞳滤波技术与差动共焦探测技术相结合的激光共焦探测方法，该方法应用光瞳滤波技术提高横向分辨力，应用差动共焦探测技术提高轴向分辨力，同时通过将差动信号归一化处理，实现了具有反射率差异样品表面位移的精密测量(赵维谦,谭久彬,邱丽荣.具有高空间分辨力的差动共焦扫描检测方法[p].中国,专利号：zl200410006359.6,2004-02-27)。

在上述各种共焦技术中，差分共焦技术主要提高了系统的轴向分辨能力，系统横向分辨力损失较大；相对于差分共焦技术，差动共焦探测方法具有绝对零点、量程大、信噪比高等优点，但是，由于双探测器均处于离焦状态，因此系统的横向分辨力相对较低；基于超分辨光瞳滤波器和差动共焦相结合的共焦技术，同时提高了系统的横向分辨能力和轴向分辨能力，但其成像系统光路复杂、装调难度较大、系统成本相对较高。

技术实现要素：

本发明首先提供一种双波长双共焦激光显微测量装置与测量方法，目的在于同时提升激光共焦系统的轴向分辨能力和横向分辨能力。

本发明采用的技术方案是：双波长双共焦激光显微测量装置，包括激光器、入射光路、反射光路和探测装置，激光器包括激光器i和激光器ⅱ，入射光路为：分束镜的两个入射光束方向分别设置激光器i和激光器ⅱ，分束镜的出射光束方向依次设置准直器、偏振分光镜、四分之一玻片、物镜和样品台；反射光路包括物镜、四分之一玻片、偏振分光镜，以及沿偏振分光镜反射方向设置的半反半透镜，半反半透镜的透射方向依次设置滤光片i、透镜i、针孔i和探测器i，半反半透镜的反射方向依次设置滤光片ⅱ、透镜ⅱ、针孔ⅱ和探测器ⅱ；其中，滤光片i与激光器i所发射激光束的波长相对应，滤光片ⅱ与激光器ⅱ所发射激光束的波长相对应，探测器i和探测器ii分别安装于与物镜焦点共轭的位置。

进一步的是：双波长双共焦激光显微测量装置还包括物镜驱动器，物镜与物镜驱动器相互配合。

进一步的是：激光器i和激光器ⅱ的入射方向相互垂直。

具体的：滤光片i和滤光片ⅱ分别为激光线净化滤光片或超窄带通滤光片。

具体的：探测器i和探测器ⅱ为光电倍增探测器或ccd探测器。

本发明还提供一种双波长双共焦激光显微测量方法，目的同样在于同时提升激光共焦系统的轴向分辨能力和横向分辨能力，采用的技术方案是：双波长双共焦激光显微测量方法，通过上述双波长双共焦激光显微测量装置对样品进行激光显微测量，包括以下步骤：

s1、将样品置于样品台，第一激光器i和激光器ⅱ分别发出不同波长的激光束，并经入射光路会聚到样品，再沿反射光路分别进入探测器i和探测器ii。

s2、调整物镜，对样品进行轴向扫描，得到样品表面光强-轴向位移响应信号。例如，通过物镜驱动器调整物镜。

s3、将探测器i和探测器ii测得的光强-轴向位移响应信号分别除以各自信号的光强最大值，获得两个归一化的光强-轴向位移响应信号。

s4、将两个归一化的光强-轴向位移响应信号中相同轴向位移点的光强相乘，采用相乘后的光强-轴向响应信号作为共焦系统的输出。

本发明的有益效果是：第一、本发明能够同时提高系统的轴向分辨能力和横向分辨能力。本发明采用双波长双共焦探测结构，将双探测器分别安装于与物镜焦点共轭位置，将双探测器归一化轴向响应曲线或横向响应曲线相乘后的输出作为共焦系统的输出，由于归一化轴向响应信号和归一化轴向响应信号聚焦中心位置的光强最大，其值为1，乘法运算后，信号聚焦中心位置的强度依然最大，其值为1；随着离焦量的增加，乘法运算后，其信号强度相对于乘法运算前的信号强度快速变小，这导致了共焦系统输出的归一化轴向响应曲线、横向响应曲线半高宽均等到降低，因而使轴向分辨能力和横向分辨能力均得到提高。

第二、本发明能够有效抑制旁瓣噪声，提高信号的信噪比。本发明采用双波长进行测量，由于不同波长的归一化轴向响应曲线分布不同，其旁斑信号极大值相互错开，二者进行乘法运算后，旁瓣噪声得到有效抑制，有利于提高信噪比。

第三、本发明提高了对具有不同反射率样品的适应能力。本发明采用双波长结构，有利于降低样品反射率差异对测量信号造成的影响，提高具有不同反射率样品测量信号的信噪比，从而提高其轴向分辨能力和横向分辨能力。

附图说明

图1是本发明双波长双共焦激光显微测量装置的示意图。

图2是本发明实施例的轴向响应曲线。

图3是本发明实施例的横向响应曲线。

附图标记：激光器i1、激光器ⅱ2、分束镜3、准直器4、偏振分光镜5、四分之一玻片6、物镜7、物镜驱动器8、样品台9、半反半透镜10、滤光片i11、透镜i12、针孔i13、探测器i14、滤光片ⅱ15、透镜ⅱ16、针孔ⅱ17、探测器ⅱ18。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明双波长双共焦激光显微测量装置，包括激光器、入射光路、反射光路和探测装置，激光器包括激光器i1和激光器ⅱ2，入射光路为：分束镜3的两个入射光束方向分别设置激光器i1和激光器ⅱ2，分束镜3的出射光束方向依次设置准直器4、偏振分光镜5、四分之一玻片6、物镜7和样品台9，激光器i1和激光器ⅱ2分别发出两种不同波长的激光束，例如，激光器i1和激光器ⅱ2的入射方向相互垂直，激光束经过分束镜3、准直器4、偏振分光镜5、四分之一玻片6、物镜7后，照射到样品台9上的样品的表面。为了便于调整物镜7的位置，双波长双共焦激光显微测量装置还包括物镜驱动器8，物镜驱动器8用于调整物镜7的位置，实现对样品的轴向扫描。

反射光路包括物镜7、四分之一玻片6、偏振分光镜5，以及沿偏振分光镜5反射方向设置的半反半透镜10，半反半透镜10的透射方向依次设置滤光片i11、透镜i12、针孔i13和探测器i14，半反半透镜10的反射方向依次设置滤光片ⅱ15、透镜ⅱ16、针孔ⅱ17和探测器ⅱ18。物镜7、四分之一玻片6和偏振分光镜5既是入射光路上的器件，也是反射光路上的器件。滤光片i11与激光器i1所发射激光束的波长相对应，滤光片ⅱ15与激光器ⅱ2所发射激光束的波长相对应，探测器i14和探测器ⅱ18分别安装于与物镜7焦点共轭的位置。滤光片i11和滤光片ⅱ15为现有的，例如为激光线净化滤光片或超窄带通滤光片。探测器i14和探测器ⅱ18为光电倍增探测器或ccd探测器。

双波长双共焦激光显微测量方法，通过上述双波长双共焦激光显微测量装置对样品进行激光显微测量，包括以下步骤：

s1、将样品置于样品台9，第一激光器i1和激光器ⅱ2分别发出不同波长的激光束，激光束经入射光路会聚到样品，样品表面的反射光沿反射光路分别进入探测器i14和探测器ⅱ18。具体来看，样品表面的反射光经过物镜7、四分之一玻片6后，被偏振分光镜5反射，反射光被半反半透镜10分成两路，一路经过滤光片i11、透镜i12、针孔i13后，被探测器i14探测，另一路经过滤光片ⅱ15、透镜ⅱ16、针孔ⅱ17后，被探测器ⅱ18探测。

s2、调整物镜7，例如通过物镜驱动器8调整物镜7或者通过其他方式调整物镜7，对样品进行轴向扫描，得到样品表面光强-轴向位移响应信号。

s3、将探测器i14和探测器ⅱ18测得的光强-轴向位移响应信号分别除以各自信号的光强最大值，获得两个归一化的光强-轴向位移响应信号。将探测器i14的光强-轴向位移响应信号除以该信号的光强最大值，获得归一化的光强-轴向位移响应信号a；将共焦探测器18所测量的光强-轴向位移响应信号除以该信号的光强最大值，获得归一化的光强-轴向位移响应信号b。

s4、将两个归一化的光强-轴向位移响应信号中相同轴向位移点的光强相乘，采用相乘后的光强-轴向响应信号作为共焦系统的输出。将归一化光强-轴向响应信号a、归一化光强-轴向响应信号b中相同轴向位移点的光强相乘，采用相乘后的光强-轴向响应信号作为共焦系统的输出。

下面通过实施例来验证本发明的轴向分辨能力。双波长双共焦激光显微测量方法，按照上述步骤，具体参数如下：(1)由共焦系统的轴向响应函数计算将数值孔径0.9、激光波长532nm参数下的轴向响应曲线1；(2)由共焦系统的轴向响应函数计算将数值孔径0.9、激光波长633nm参数下的轴向响应曲线2；(3)将轴向响应曲线1、轴向响应曲线2中具有相同轴向位移的光强相乘，获得的轴向响应曲线如图2所示。

相应的，双波长双共焦激光显微测量方法，按照上述步骤，具体参数如下：(1)由共焦系统的横向响应函数计算将数值孔径0.9、激光波长532nm参数下的横向响应曲线1；(2)由共焦系统的横向响应函数计算将数值孔径0.9、激光波长633nm参数下的横向响应曲线2；(3)将横向响应曲线1、横向响应曲线2中具有相同横向位移的光强相乘，获得的横向响应曲线如图3所示。

根据图2和图3可以看出，本发明能够有效抑制旁瓣噪声，提高信噪比，能够同时提高系统的轴向分辨能力和横向分辨能力，在光学高分辨测量领域具有重要的应用价值。