多波长单光纤共焦显微探测方法与装置与流程

1.本发明涉及一种高速高精度共焦显微测量方法，可用于集成电路、mems器件、微镜阵列、微流体器件等各类微纳精密样品的表面形貌高速高精度测量，属于光学成像与检测技术领域。


背景技术：

2.共焦显微镜由美国人marvin minsky于1957年发明，其基本原理是将点光源、物体、点探测器置于彼此共轭的位置，上述共轭设计使得共焦显微镜具有轴向层析能力，能满足各类微纳结构的表面形貌测量。但是，传统共焦显微镜在实现轴向层析测量的过程中，需要控制运动装置如电机或压电陶瓷沿着物镜光轴方向精确移动显微物镜或被测样品，由探测器采集运动装置处于不同位移处时的共焦响应强度，即得到共焦显微镜的共焦响应强度曲线，通过对采集的共焦响应强度曲线数据进行峰值提取等操作处理获取被测样品表面的形貌信息。但是，机械装置的轴向扫描速度和精度都较低，导致共焦显微镜的测量速度慢、测量精度受限。
3.为了提高传统共焦显微镜的测量速度和测量精度，发明专利cn 109307481 a《高速传感共焦显微测量方法》中精确控制运动装置以较大的采样间隔移动，由探测器得到运动装置处于不同位移处的共焦响应强度，通过对最大强度两侧的强度值做差分处理，快速高精度地获取被测样品的表面形貌。虽然，上述方法能显著降低运动装置的轴向扫描次数，但是仍然需要数次轴向扫描，限制了测量速度和测量精度的进一步提高。发表在《optics letters》上的文献《locally adaptive thresholding centroid localization in confocal microscopy》中提出了一种变阈值的峰值提取算法，能对大采样间隔下共焦响应强度曲线数据进行高精度处理，显著地提高了共焦显微测量速度和精度。但是，上述方法与专利 cn 109307481 a的问题类似，即仍需要精密的运转装置扫描，无法进一步提高共焦显微测量速度和精度。发表在《optics express》上的文献《real-time laser differential confocal microscopy without sample reflectivity effects》通过使用两个点探测器，其中一个点探测器放置在与点光源共轭位置前一个微小间隔处，另一个点探测器放置于与点光源共轭位置后相等的微小间隔处，通过对两个点探测器采集的共焦响应曲线强度值做差分操作，快速高精度地得到被测样品的表面形貌。但是，在构建共焦显微测量系统时，上述方法存在如下不足：其一、单一点探测器与点光源共轭的光路调整过程较为复杂，而上述方法中的双点探测器设计将使得光路调整更加复杂；其二、两个的点探测器沿测量光束光轴方向的位移偏置需要控制在微米量级，对机械装配件的加工精度提出了极高的要求；其三、上述方法的测量量程受限于显微物镜的景深，只能维持在微米至数十微米左右，无法满足纵向大量程复杂曲面微纳结构的形貌测量需求。


技术实现要素：

4.本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种多波长单光
纤共焦显微探测方法与装置，以降低装置的调节装配难度，同时提高测量速度和测量精度。
5.为解决上述技术问题，本发明提出一种多波长单光纤共焦显微探测装置，包括多波长光源、光纤耦合器、色散物镜和探测模块；所述多波长光源发出波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn共n个不同波长的照明光束；所述多波长光源的输出端与所述光纤耦合器的照明端光纤连接；所述多波长光源发出的照明光束经光纤耦合器的公共端光纤入射到所述色散物镜；所述色散物镜对不同波长的光有不同的焦距，用于将各个波长的光聚焦在色散物镜光轴上的不同位置处，形成测量光束照射在被测样品表面上；从被测样品表面反射的测量光束经所述色散物镜后沿原光路经公共端光纤返回至光纤耦合器，经所述光纤耦合器的探测端光纤输出至探测模块；所述探测模块用于探测得到被测样品在波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn共n个照明波长下的单光纤共焦响应强度值i1、i2、i3、
…
、in；所述单光纤共焦响应强度值用于计算得到被测样品表面的位移信息。
6.同时，本发明还基于所提出的多波长单光纤共焦显微探测装置，提出一种多波长单光纤共焦显微探测方法，包括以下步骤：s1、标定：将标定样品设置在测量光束的光轴上，控制标定样品沿测量光束光轴方向移动，测量并记录标定样品沿测量光束光轴方向的位移值，以及各个位移值下标定样品在照明波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的单光纤共焦响应强度值i1、i2、i3、
…
、in，然后对任意相邻波长下的单光纤共焦响应强度值进行差分处理得到（n
–
1）个相邻波长单光纤差分共焦响应值di
21
、di
32
、di
43
、
…
、di
n(n
–
1)
；构建位移值与（n
–
1）个相邻波长单光纤差分共焦响应值之间的对应关系，实现（n
–
1）个相邻波长单光纤差分共焦响应值与位移之间关系的标定；s2 、测量过程：将被测样品设置在测量光束的光轴上，测量并记录被测样品在照明波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的单光纤共焦响应强度值，然后对任意相邻波长下的单光纤共焦响应强度值进行差分处理得到（n
–
1）个相邻波长单光纤差分共焦响应值；根据（n
–
1）个相邻波长单光纤差分共焦响应值与位移之间的标定关系，得到被测样品的位移信息；s3、沿垂直于测量光束的光轴的方向移动被测样品，重复步骤s2，得到被测样品表面不同位置处沿测量光束光轴方向的位移信息，从而获得被测样品的形貌信息。
7.本发明与现有技术具有以下有效效果：1. 本发明提供了一种多波长单光纤共焦显微探测装置和方法，其无需轴向机械扫描，能显著地简化装置的结构；2. 本发明中多波长单光纤共焦显微测量技术利用单光纤共焦响应曲线斜率较大的线性区域来替代传统共焦中采用斜率为零的顶点区域来探测位移信息，使得灵敏度和测量精度都有显著提升；3. 本发明只需要普通的光纤光电探测器来测量n个照明波长下的单光纤共焦响应信号的强度值，具有价格低廉、结构简单、信噪比高、测量速度快等优点；4本发明中采用了同轴照明，聚焦光斑小，具有适应对象表面特性能力强等优点；5. 本发明中利用光纤器件的光纤末端同时当作光纤照明针孔和光纤探测针孔来分别发出照明光束和收集经样品反射的测量光束，能直接满足照明针孔和探测针孔的共轭设置要求，具有结构简单、无需光路调整等优点。
附图说明
8.图1为本发明实施例1中提供一种多波长单光纤共焦显微探测装置的示意图；图2为本发明实施例1中色散物镜的光路结构图；图3为本发明实施例2中的波长分光装置和探测器的示意图；图4为本发明实施例3中的波长分光装置和探测器的示意图；图5为本发明实施例4提供的一种多波长单光纤共焦显微探测装置的示意图；图6为本发明实施例5提供的一种多波长单光纤共焦显微探测装置的示意图；图7为本发明实施例6提供的一种多波长单光纤共焦显微探测方法中不同波长下单光纤共焦响应强度值与样品位移之间的关系曲线；图8为发明专利实施例6中相邻波长差分单光纤共焦响应值与样品位移之间的关系曲线；其中：1-多波长光源、101-单波长光纤光源、102-1
×
n光纤合束器、2-光纤耦合器、201-照明端光纤、202-耦合单元、203-公共端光纤、204-探测端光纤、3-色散物镜、301-消色差透镜、302-凹透镜、303-第一凸透镜、304-第二凸透镜、305-第三凸透镜、4-被测样品、5-波长分光装置、501-球面反射镜、502-光栅、503-球面聚焦镜、504-准直镜、505-二色分光镜、506-分光镜、507-窄带滤光片、508-波分复用、509-时分驱动电路、6-探测器、601-光电探测器、602-光纤探测器、7-微处理器。
具体实施方式
9.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
10.实施例1如图1所示，本发明实施例1提供了一种多波长单光纤共焦显微探测装置，包括：多波长光源1、光纤耦合器2、色散物镜3和探测模块。具体地，本实施例中，光纤耦合器2包括照明端光纤201、耦合单元202、公共端光纤203和探测端光纤204。
11.所述多波长光源1发出波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn共n个波长的照明光束，所述多波长光源1的输出端通过照明端光纤201与所述耦合单元202的输入端连接，所述多波长光源1发出照明光束经照明端光纤201、耦合单元202、公共端光纤203后入射到所述色散物镜3；所述色散物镜3对不同波长的光有不同的焦距，用于将各个波长的光聚焦在色散物镜3光轴上的不同位置处，形成测量光束照射在被测样品4表面上；从被测样品4表面反射的测量光束经所述色散物镜3后沿原光路返回至公共端光纤203和耦合单元202，经所述耦合单元202后入射至探测端光纤204，经探测端光纤204输出后入射至探测模块，探测模块测量得到被测样品4在波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的共焦响应强度值，所述共焦响应强度值i1、i2、i3、
…
、in用于计算得到被测样品4表面的位移信息。
12.具体地，本实施例中，所述探测模块包括波长分光装置5和探测器6。经探测端光纤204输出的测量光束入射至波长分光装置5，经波长分光装置5后，三个波长的测量光束分别入射到探测器6的不同探测区域，经探测器6测量得到照明光束在三个不同波长下的共焦响
应强度值。也就是说，本实施例中，所述波长分光装置5用于将测量光束中的不同波长发送至探测器6不同的探测区域，经所述探测器6的不同探测区域得到的光强值即为照明光束在波长分别为λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的共焦响应强度值i1、i2、i3、
…
、in。
13.进一步地，本实施例中，如图1所示，所述波长分光装置5包括：球面反射镜501、光栅502、球面聚焦镜503，所述光栅502、球面聚焦镜503分别设置在球面反射镜701两侧，从被测样品4表面反射的测量光束依次经色散物镜3、光纤耦合器2、探测端光纤204后输出并入射至所述球面反射镜501，然后经球面反射镜501反射后入射至所述光栅502，经所述光栅502反射后，测量光束中各个波长的光分开，然后经所述球面聚焦镜503聚焦到探测器6的不同探测区域。
14.进一步地，如图1所示，本实施例的一种多波长单光纤共焦显微探测装置，还包括微处理器7，本实施例中，微处理器7用于处理探测器的探测信号，即被测样品4在波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的共焦响应强度值i1、i2、i3、
…
、in，并根据共焦响应强度值i1、i2、i3、
…
、in，计算得到被测样品4表面的位移信息。
15.进一步地，如图2所示，本实施例中，所述色散物镜3包括依次同轴设置的消色差透镜301（焦距23mm、通光孔径5.2mm）、凹透镜302（焦距-14mm、通光孔径15mm）、第一凸透镜303（焦距23.8mm、通光孔径25.4mm）、第二凸透镜304（焦距34mm、通光孔径25.4mm）、第三凸透镜305（焦距34mm、通光孔径22mm）。色散物镜3的基本工作原理如下：消色差透镜301将多波长点照明光束准直，准直光束进入凹透镜302进行发散，然后依次被第一凸透镜303、第二凸透镜304、第三凸透镜305聚焦在光轴oa1不同位置，如波长λ1=450nm、λ2=455nm、λ3=460nm、
…
、λn=750nm的光束聚焦在色散物镜光轴16.5mm、16.505mm、16.510mm、
…
、16.8mm处。
16.进一步地，本实施例中，探测器6包括能探测波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn强度的探测区域。
17.进一步地，本实施例中，波长分光装置5和探测器6也可以用光谱仪代替。
18.进一步地，如图1所述，本实施例中，多波长光源1包括n个单波长光纤光源101和1
×
n光纤合束器102，n个单波长光纤光源101分别发出波长λ1=450nm、λ2=455 nm、λ3=460 nm、
…
、λn=750 nm的照明光束，n个波长的光束经光纤合束器102后合成一束光，并通过照明端光纤201输出到所述光纤耦合器2。
19.本实施例的工作原理如下：多波长光源1发出波长λ1=450nm、λ2=455 nm、λ3=460 nm、
…
、λn=750 nm的照明光束，经照明端光纤201输出到所述光纤耦合器2，然后经公共端光纤203后入射到色散物镜3；色散物镜3将波长λ1=450nm、λ2=455 nm、λ3=460 nm、
…
、λn=750 nm的光束聚焦在色散物镜光轴16.5mm、16.505 mm、16.510 mm、
…
、16.8 mm处；通过色散物镜3的照明光束聚焦形成测量光束，照射在被测样品4的表面上；被测样品4将聚焦在其上的测量光束反射，反射回的光束被色散物镜3收集，然后依次经公共端光纤203、光纤耦合器2后从探测端光纤204输出，并入射至波长分光装置5；波长分光装置5将通过测量光束中不同波长的光聚焦在探测器6的不同区域；探测器6由此得到照明波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的单光纤共焦响应强度值i1、i2、i3、
…
、in；通过对任意相邻两个照明波长下的单光纤共焦响应强度数据进行差分处理，得到（n
–
1）个相邻波长差分光纤共焦响应值di
21
、di
32
、di
43
、
…
、di
n(n
–
1)
，进而获取被测样品4沿测量光束光轴方向的位移信息。当利用运动平台沿垂直于测量光束方向移动多波长单光纤共焦显微探测装置或被测样品4，获取被测样品4表面不同位置处的位移信息，进而重构样品4表面轮廓或形貌。
20.实施例2本发明实施例2提供了一种多波长单光纤共焦显微探测装置，与实施例1不同的是，本实施例中的探测模块的结构不同，其基于（n-1）个二色分光镜实现测量光束中n个波长光的分离。
21.如图3所示，本实施例中，探测模块包括准直镜504、（n-1）个二色分光镜505和n个光电探测器601；所述准直镜504用于将探测端光纤204输出的测量光束进行准直，准直后的光束依次通过（n-1）个二色分光镜505后将n个波长的测量光束分开，所述n个光电探测器601分别用于探测测量光束中一个波长光的强度，最终得到照明波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的单光纤共焦响应强度值i1、i2、i3、
…
、in。
22.实施例3本发明实施例3提供了一种多波长单光纤共焦显微探测装置，与实施例1不同的是，本实施例中的探测模块的结构不同，其基于（n-1）个分光镜和n个窄带滤波片实现n个波长测量光束的分离。
23.如图4所示，本实施例中，所述探测模块包括准直镜504、（n-1）个分光镜506、n个窄带滤波片507和n个光电探测器601；所述准直镜504用于将探测端光纤204输出的测量光束进行准直，准直后的光束依次通过（n-1）个分光镜506后分为n束，然后每束光分别经一个窄带滤波片507后入射到其中一个光电探测器601，其中各个窄带滤波片507分别用于滤出其中一个波长，n个光电探测器601分别用于探测其中一个波长的测量光束，最终得到照明波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的共焦响应强度值i1、i2、i3、
…
、in。
24.实施例4本发明实施例4提供了一种多波长单光纤共焦显微探测装置，与实施例1不同的是，本实施例中的探测模块的结构不同，其基于光纤波分复用器实现n个波长测量光束的分离。
25.如图5所示，本实施例提供的一种多波长单光纤共焦显微探测装置中，探测模块包括波分复用器508和n个光纤探测器602。本实施例中，光纤波分复用器508用于将探测端光纤204输出的测量光束中n个波长分量分别输出到其中一个光纤探测器602，经光纤探测器602探测，最终得到照明波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的单光纤共焦响应强度值i1、i2、i3、
…
、in。微处器7通过对照明波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的单光纤共焦响应强度值i1、i2、i3、
…
、in进行差分处理得到（n-1）个相邻波长单光纤差分共焦响应值di
21
、di
32
、di
43
、
…
、di
n(n
–
1)
，进而获取被测样品4表面沿测量光束光轴oa1方向的位移信息。
26.实施例5本发明实施例5提供了一种多波长单光纤共焦显微探测装置，与实施例1不同的是，本实施例中基于时分驱动电路实现多波长共焦响应强度值的分离。
27.如图6所示，本实施例中提供的一种多波长单光纤共焦显微探测装置，包括多波长光源1、光纤耦合器2、色散物镜3、时分驱动电路509、探测器6和微处理器7。
28.如图6所示，本实施例中，多波长光源1包括n个单波长光纤光源101和1
×
n光纤合束器102，光纤耦合器2包括照明端光纤201、耦合单元202、公共端光纤203、探测端光纤204，探测器6包括光纤探测器602。
29.本实施例的工作原理如下：所述多波长光源1发出λ1、λ2、λ3、
…
、λn共n个不同波长
的光束；微处理器7控制时分驱动电路509发出周期性脉冲信号，脉冲信号的上升沿激励驱动电路依次给多波长光源1中波长为λ1、λ2、λ3、
…
、λn的单波长光纤光源101等子模块供电，在t1、t2、t3、
…
、tn时刻，依次发生波长为λ1、λ2、λ3、
…
、λn的照明光束，照明光束通过光纤合束器102经照明端光纤201进入光纤耦合器2；光纤耦合器2通过耦合单元202将多波长照明光束送至公共端光纤203出射，出射的光束进入色散物镜3；色散物镜3将由公共端光纤203出射的多波长照明光束中不同波长的光聚焦在色散物镜光轴oa1上不同位置处；通过色散物镜3的照明光束聚焦形成测量光束，照射在测量样品4表面；被测样品4将测量光束反射，反射光束沿原光路返回，被色散物镜3收集，由公共端光纤203过滤进入光纤耦合器2；光纤耦合器2将反射的测量光束送至探测端光纤204进入光纤探测器602；在t1、t2、t3、
…
、tn时刻，光纤探测器602依次探测得到λ1、λ2、λ3、
…
、λn共n个不同波长下单光纤共焦响应强度值i1、i2、i3、
…
、in；微处器7通过对n个不同波长下单光纤共焦响应强度值i1、i2、i3、
…
、in进行处理得到（n
–
1）个相邻波长差分单光纤共焦响应值di
21
、di
32
、di
43
、
…
、di
n(n
–
1)
，进而获取被测样品4表面沿测量光束光轴oa1方向的位移信息。
30.实施例6本实施例提供了一种多波长单光纤共焦显微探测方法，其基于实施例1~5中任的一种探测装置实现，本实施例中，测量光束方向的位移信息获取有赖于构建（n
–
1）个相邻波长差分单光纤共焦响应值di
21
、di
32
、di
43
、
…
、di
n(n
–
1)
与被测样品位移之间的标定关系。由于探测装置中，色散物镜3、波长分光装置5、探测器6等器件均存在非均匀光谱响应特性，使得（n
–
1）个相邻波长差分单光纤共焦响应值与被测样品位移之间的关系会偏离理论设计，因此需要通过实际测试来精确构建（n
–
1）个相邻波长差分单光纤共焦响应值di
21
、di
32
、di
43
、
…
、di
n(n
–
1)
与被测样品位移之间的标定关系。具体地，本实施例包括以下步骤：s1、标定：将标定样品设置在测量光束的光轴上，控制标定样品沿测量光束光轴方向移动，测量并记录标定样品沿测量光束光轴方向的位移值，以及各个位移值下标定样品在波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的单光纤共焦响应强度值i1、i2、i3、
…
、in，然后对任意相邻波长的单光纤共焦响应强度值进行差分处理得到（n
–
1）个相邻波长差分单光纤共焦响应值di
21
、di
32
、di
43
、
…
、di
n(n
–
1)
；构建位移值与（n
–
1）个相邻波长差分单光纤共焦响应值di
21
、di
32
、di
43
、
…
、di
n(n
–
1)
之间的对应关系，实现（n
–
1）个相邻波长差分单光纤共焦响应值di
21
、di
32
、di
43
、
…
、di
n(n
–
1)
与位移之间关系的标定。
31.具体地，本实施例中，精确控制标定样品沿测量光束测量方向移动，如z1=0、z2=0.1 μm、z3=0.3 μm、
…
、zm=300μm，并同时由探测器6采集得到不同位移时在照明波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的单光纤共焦响应强度值i1、i2、i3、
…
、in，即照明波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的共焦响应强度曲线，如图7所示；通过对相同位移时任意相邻波长下的共焦响应强度值做差分处理，得到（n
–
1）个相邻波长差分单光纤共焦响应值di
21
、di
32
、di
43
、
…
、di
n(n
–
1)
与被测样品位移之间的关系曲线，如图8所示，实现（n
–
1）个相邻波长差分单光纤共焦响应值di
21
、di
32
、di
43
、
…
、di
n(n
–
1)
与样品位移之间关系的标定。
32.s2、测量过程：将被测样品4设置在测量光束的光轴上，测量并记录被测样品4在波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的单光纤共焦响应强度值，然后对任意相邻波长下的单光纤共焦响应强度值进行差分处理得到（n
–
1）个相邻波长差分单光纤共焦响应值di
21
、di
32
、di
43
、
…
、di
n(n
–
1)
；根据（n
–
1）个相邻波长差分单光纤共焦响应值di
21
、di
32
、di
43
、
…
、di
n(n
–
1)
与位移之
间的标定关系，得到被测样品4的位移信息；s3、沿垂直于测量光束的光轴的方向移动被测样品4，重复步骤s2，得到被测样品4表面不同位置处沿测量光束光轴方向的位移信息，从而获得被测样品4的形貌信息。
33.具体地，本实施例中，所述（n
–
1）个相邻波长差分单光纤共焦响应值di
21
、di
32
、di
43
、
…
、di
n(n
–
1)
的计算公式为：di
21
=(i2–
i1)/(i2 i1)、di
32
=(i3–
i2)/(i3 i2)、di
43
=(i4–
i3)/(i4 i3)、
…
、di
n(n
–
1)
=(in–i(n
–
1)
)/(in i
(n
–
1)
)；（1）或者，所述（n
–
1）个相邻波长差分单光纤共焦响应值di
21
、di
32
、di
43
、
…
、di
n(n
–
1)
的计算公式也可以为：di
21
=(i2–
i1)、di
32
=(i3–
i2)、di
43
=(i4–
i3)、
…
、di
n(n
–
1)
=(in–i(n
–
1)
)；（2）进一步地，本实施例中，所述步骤s3的具体步骤为：沿垂直于测量光束的光轴的方向一维移动被测样品4，重复步骤s2，得到被测样品4表面一条直线上不同位置处沿测量光束光轴方向的位移信息，从而获得被测样品4的轮廓和粗糙度信息；进一步地，本实施例中，所述步骤s3的具体步骤可以为：沿垂直于测量光束的光轴的方向二维移动被测样品4，重复步骤s2，得到被测样品4表面不同位置处沿测量光束光轴方向的位移信息，从而获得被测样品4的三维形貌信息。
34.具体地，本实施例中，在不同的标定位移下，可以得到一系列的（n
–
1）个相邻波长差分单光纤共焦响应值di
21
、di
32
、di
43
、
…
、di
n(n
–
1)
；在实施过程中，可以先构建位移与（n
–
1）个相邻波长差分单光纤共焦响应值di
21
、di
32
、di
43
、
…
、di
n(n
–
1)
的映射关系；在测量的时候，根据映射关系和测量时计算的（n
–
1）个相邻波长差分单光纤共焦响应值di
21
、di
32
、di
43
、
…
、di
n(n
–
1)
得到位移值。
35.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。