多波长光纤线阵列共焦显微探测方法与装置与流程

1.本发明涉及一种高速线共焦显微测量方法，可应用于ic芯片、mems、功能化结构微纳器件、车铣刨磨等机加工表面、喷丸磨砂表面、拉丝表面等各类样品表面形貌的快速测量，属于光学成像与检测技术领域。


背景技术：

2.线共焦显微镜由苏联人g. m. svishchev于20世纪60年代后期提出，其基本架构是：使用一对共轭狭缝进行照明和探测，通过精确控制机械运动装置如高精度电机或压电陶瓷研显微物镜光轴方向移动，从而能获取被测样品沿光轴方向的位移信息。相比于传统的点扫描式共焦显微镜，线共焦显微镜在机械装置的轴向扫描过程能获取一条直线上点沿光轴方向的位移信息，即其形貌测量效率远远优于传统的点扫描式共焦显微镜。但是，线共焦显微镜在获取位移信息的过程中，需要复杂的机械装置精确进行沿光轴方向的扫描，而机械扫描效率低、精度低，上述因素限制了线共焦显微镜获取被测样品三维形貌的速度和精度。
3.为了提高传统线共焦显微镜的测量速度，发表在《optics letters》上的《locally adaptive thresholding centroid localization in confocal microscopy》文献中：提出了采用一种变阈值的峰值提取算法，能满足大采样间隔时探测得到的线共焦响应强度信号的高精度处理，显著地提高线共焦显微测量速度和精度。但是，上述方法仍需要机械装置扫描，限制了线共焦显微测量速度的进一步提高。发表在《optics letters》上的《simple differential digital confocal aperture to improve axial response of line-scanning confocal microendoscopes》文献中：通过使用两个狭缝探测器，其中一个狭缝探测器放置在与狭缝照明光源共轭位置前一个微小间隔处，另一个探测器放置于与狭缝照明光源共轭位置后相等的微小间隔处，通过对两个狭缝探测器采集的共焦响应强度值做差分操作，快速获取被测样品表面上一条直线上点的位移信息。但是，上述方法在装置构建过程中存在如下缺陷：其一、狭缝探测共轭光路的调整极其复杂，上述方法中采用双探测狭缝探测器的设计将进一步使得光路调整复杂；其二、两个的狭缝探测器沿光束光轴方向上的位移偏置需要控制在微米量级，对机械零件的加工速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量级，无法满足复杂大量程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：提供一种多波长光纤线阵列共焦显微探测方法与装置，以提高共焦显微探测的测量精度、测量速度，并扩展测量范围。
5.为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：多波长光纤线阵列共焦显微探测装置，包括：多波长光源、光纤阵列耦合器、色散物镜和探测模块；
所述多波长光源发出的包括n个不同波长的照明光束经第一光纤阵列法兰后输入到所述光纤阵列耦合器，然后经光纤阵列耦合器输出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，用于对光纤阵列耦合器输出的线型阵列照明光束进行聚焦，形成n条共面的直线测量光束并照射在被测样品表面上形成测量相交线；从被测样品表面反射的直线测量光束经所述色散物镜后沿原光路返回至光纤阵列耦合器，依次经光纤阵列耦合器和第二光纤阵列法兰后入射至探测模块，经探测模块得到被测样品在n个不同波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的光纤线阵列共焦响应强度数据，分别记为[i
11
, i
12
, i
13
,
…
, i
1m ]、[i
21
, i
22
, i
23
,
…
, i
2m ]、[i
31
, i
32
, i
33
,
…
, i
3m ]、
…
、[i
n1
, i
n2
, i
n3
,
…
, i
nm ]，其中， i
1m
、i
2m
、
…
、i
nm
分别表示被测样品的测量相交上第m个测量点在n个不同波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的光纤线阵列共焦响应强度数据；被测样品在n个不同波长下的光纤线阵列共焦响应强度数据用于计算得到被测样品表面各个测量点的位移信息。
[0006]
所述探测模块包括波长分光装置和探测器。
[0007]
所述波长分光装置用于将线测量光束中的不同波长的光送至探测器不同的探测区域，经所述探测器的n个不同探测区域得到的测量相交线上m个测量点的光强值，即为被测样品测量相交线上m个测量点在λ1、λ2、λ3、
…
、λn共n个不同波长下的光纤线阵列共焦响应强度数据。
[0008]
所述波长分光装置包括：球面反射镜、光栅、球面聚焦镜，所述光栅、球面聚焦镜分别设置在球面反射镜两侧，从被测样品表面反射的线测量光束依次经色散物镜、光纤阵列耦合器和第二光纤阵列法兰后入射至所述球面反射镜，然后经球面反射镜反射后入射至所述光栅，经所述光栅反射后，测量光束中各个波长的光分开，然后经所述球面聚焦镜聚焦到探测器的不同探测区域。
[0009]
所述探测模块包括准直镜、（n－1）个二色分光镜、n个会聚镜、n个线阵探测器；所述准直镜用于将通过第二光纤阵列法兰输出的线测量光束进行准直，准直后的光束依次通过（n－1）个二色分光镜后将线测量光束中波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn的光根据波长的不同分开，分开后的n个不同波长的线测量光束经过n个会聚镜会聚到n个线阵探测器探测；或者，所述探测模块包括准直镜、（n－1）个分光镜、n个窄带滤波片、n个会聚镜、n个线阵探测器；所述准直镜用于将通过第二光纤阵列法兰输出的线测量光束进行准直，准直后的光束依次通过（n－1）个分光镜后分为n束，然后分别经n个窄带滤波片进行滤波后得到波长分别为λ1、λ2、λ3、
…
、λn的n束光，并分别经过n个会聚镜会聚到n个线阵探测器探测；或者，所述探测模块包括光纤阵列波分复用器、n个光纤阵列探测器；所述光纤阵列波分复用器的输入端与所述第二光纤阵列法兰连接，光纤阵列波分复用器的n个阵列输出端分别连接n个光纤阵列探测器用于探测波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn的测量光束。
[0010]
所述的多波长光纤线阵列共焦显微探测装置，还包括微处理器和时分驱动电路；所述微处理器用于控制时分驱动电路产生周期性脉冲信号，脉冲信号的上升沿激励驱动电路依次给多波长光源中波长为λ1、λ2、λ3、
…
、λn的子光源模块供电，使其在t1、t2、t3、
…
、tn共n个不同的时刻，依次产生波长为λ1、λ2、λ3、
…
、λn的共n个不同波长的照明光束；所述探测模块包括1个光纤线阵探测器。
[0011]
所述色散物镜包括依次同轴设置的消色差透镜、凹透镜、第一凸透镜、第二凸透镜和第三凸透镜。
[0012]
所述的多波长光纤线阵列共焦显微探测装置，还包括推进结构，所述推进机构用于沿垂直于线测量光束光轴以及线阵列的方向移动被测样品；或者，所述推进机构用于移动所述探测装置。
[0013]
所述光纤阵列耦合器为1
×
2光纤阵列耦合器，其包括照明光纤阵列端、耦合单元、公共光纤阵列端和探测光纤阵列端。
[0014]
此外，本发明还提供了多波长光纤线阵列共焦显微探测方法，采用所述的一种多波长光纤线阵列共焦显微探测装置实现，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λ1、λ2、λ3、
…
、λn共n个不同波长下的光纤线阵列共焦响应强度数据，然后对任意相邻波长下的光纤线阵列共焦响应强度数据进行差分处理得到（n－1）个差分光纤线阵列共焦响应数据；构建位移值与（n－1）个差分光纤线阵列共焦响应数据之间的对应关系，实现（n－1）个差分光纤线阵列共焦响应数据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λ1、λ2、λ3、
…
、λn共n个不同波长下的光纤线阵列共焦响应强度数据，然后对任意相邻波长下的光纤线阵列共焦响应强度数据进行差分处理得到（n－1）个差分光纤线阵列共焦响应数据；根据（n－1）个差分光纤线阵列共焦响应数据与位移之间的标定关系，得到被测样品在测量线上各个测量点的位移；s3、垂直于光轴和线测量光束的方向移动被测样品，重复步骤s2，得到被测样品表面不同测量相交线上的点在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。
[0015]
1、 所述（n－1）个差分光纤线阵列共焦响应数据的计算公式为：[di
211
,di
212
,di
213
,
…
, di
21m
]=[(i
21
–i11
)/( i
21
i
11
), (i
22
–i12
)/( i
22
i
12
), (i
23
–i13
)/( i
23
i
13
),
…
, (i
2m
–i1m
)/( i
2m
i
1m
)]、[di
321
,di
322
,di
323
,
…
, di
32m
]=[(i
31
–i21
)/( i
31
i
21
), (i
32
–i22
)/( i
32
i
22
), (i
33
–i23
)/( i
33
i
23
),
…
, (i
3m
–i2m
)/( i
3m
i
2m
)]、[di
431
,di
432
,di
433
,
…
, di
43m
]=[(i
41
–i31
)/( i
41
i
31
), (i
42
–i32
)/( i
42
i
32
), (i
43
–i33
)/( i
43
i
33
),
…
, (i
4m
–i3m
)/( i
4m
i
3m
)]、
…
、[di
n(n
–
1)1
,di
n(n
–
1)2
,di
n(n
–
1)3
,
…
,di
n(n
–
1)m
]=[(i
n1
–i(n
–
1)1
)/( i
n1
i
(n
–
1)1
), (i
n2
–i(n
–
1)2
)/( i
n2
i
(n
–
1)2
), (i
n3
–i(n
–
1)3
)/( i
n3
i
(n
–
1)3
),
…
, (i
nm
–i(n
–
1)m
)/( i
nm
i
(n
–
1)m
)]或[di
211
,di
212
,di
213
,
…
, di
21m ]=[(i
21
–i11
), (i
22
–i12
), (i
23
–i13
),
…
, (i
2m
–i1m
)]、[di
321
,di
322
,di
323
,
…
, di
32m ]=[(i
31
–i21
), (i
32
–i22
), (i
33
–i23
),
…
, (i
3m
–i2m
)]、[di
431
,di
432
,di
433
,
…
, di
43m
]=[(i
41
–i31
), (i
42
–i32
), (i
43
–i33
),
…
, (i
4m
–i3m
)]、
…
、[di
n(n
–
1)1
,di
n(n
–
1)2
,di
n(n
–
1)3
,
…
,di
n(n
–
1)m ]=[(i
n1
–i(n
–
1)1
), (i
n2
–i(n
–
1)2
), (i
n3
–i(n
–
1)3
),
…
, (i
nm
–i(n
–
1)m
)]其中，di
21m
、di
32m
、
…
、di
n(n
–
1)m
表示被测样品测量相交线上第m个点的（n-1）个差分光纤线阵列共焦响应数据。
[0016]
本发明与现有技术具有以下有益效果：1.本发明中多波长光纤线阵列共焦显微探测方法无需机械轴向扫描；
2.本发明中多波长光纤线阵列共焦显微测量技术利用光纤线阵列共焦响应曲线斜率较大的线性区域来替代传统线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，同时由于只需要线阵光电探测器来测量n个照明波长下的光纤线阵列共焦响应强度值信号，具有信噪比高、测量速度快等优点；3. 本发明中采用光纤线阵列来提供照明和收集测量光束，大幅度抑制了被测样品的测量相交线上测量点与测量点之间的信息串扰；4.本发明中采用光纤阵列器件中公共光纤阵列末端同时当作光纤阵列照明狭缝和光纤阵列探测狭缝，无需复杂的共轭光路调整，能实现自对齐的线共焦探测，具有结构简单、装配调整简单等优点。
附图说明
[0017]
图1为本发明实施例1提供的一种多波长光纤线阵列共焦显微探测装置的结构示意图；图2为本发明实施例1中色散物镜的结构示意图；图3为本发明实施例2提供的一种多波长光纤线阵列共焦显微探测装置的结构示意图；图4为本发明实施例3提供的一种多波长光纤线阵列共焦显微探测装置的结构示意图；图5为本发明实施例4提供的一种多波长光纤线阵列共焦显微探测装置的结构示意图；图6为本发明实施例5提供的一种多波长光纤线阵列共焦显微探测装置的结构示意图；图7本发明实施例6中不同照明波长下光纤线阵列共焦响应强度值曲线；图8为发明专利实施例6中相邻波长差分光纤阵列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-单波长光纤阵列光源、102-1
×
n光纤阵列合束器、2-光纤阵列耦合器、201-照明光纤阵列端、202-耦合单元、203-成线状排布的公共光纤阵列端、204-探测光纤阵列端、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-会聚镜、507-分光镜、508-窄带滤光片、509-光纤阵列波分复用器、510-时分驱动电路、6-探测器、601-n个线阵探测器、602-光纤阵列探测器、7-第一光纤阵列法兰、8-微处理器、9-第二光纤阵列法兰。
具体实施方式
[0018]
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。
[0019]
本发明基于多波长光纤线阵列共焦测量技术，利用色散物镜对光纤线阵列照明光
束聚焦形成共面测量线，并与被测样品表面接触形成测量相交线，同时利用波长分光装置将照射在被测样品表面测量交线上并经被测样品反射的测量光束分光送入探测器不同的探测区域，由探测器得到测量相交线上m个测量点在照明波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的光纤线阵列共焦响应强度数据，通过对测量相交线上同一个测量点在照明波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的光纤线阵列共焦响应强度数据进行差分处理，实现被测样品表面测量相交线上m个点沿测量光束光轴方向的位移信息。
[0020]
实施例1如图1所示，本发明实施例1提供了一种多波长光纤线阵列共焦显微探测装置，包括：多波长光源1、光纤阵列耦合器2、色散物镜3和探测模块；本实施例中，探测模块包括波长分光装置5和探测器6。
[0021]
所述多波长光源1发出波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn共n个不同波长的照明光束，照明光束经第一光纤阵列法兰7后输入到所述光纤阵列耦合器2，然后经光纤阵列耦合器2输出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，用于对光纤阵列耦合器2输出的线型阵列照明光束进行聚焦，形成n条共面的直线测量光束并照射在被测样品4表面上形成测量相交线；从被测样品4表面反射的直线测量光束经所述色散物镜3后沿原光路返回至光纤阵列耦合器2，依次经光纤阵列耦合器2和第二光纤阵列法兰9后入射至探测模块，经探测模块得到被测样品4在λ1、λ2、λ3、
…
、λn共n个不同波长下的光纤线阵列共焦响应强度数据，分别记为[i
11
, i
12
, i
13
,
…
, i
1m ]、[i
21
, i
22
, i
23
,
…
, i
2m ]、[i
31
, i
32
, i
33
,
…
, i
3m ]、
…
、[i
n1
, i
n2
, i
n3
,
…
, i
nm ]，其中，m表示测量相交线上第m个测量点，i
1m
、i
2m
、
…
、i
nm
分别表示被测样品4的测量相交线上第m个点在λ1、λ2、λ3、
…
、λn共n个不同波长下的光纤线阵列共焦光强值；被测样品4在λ1、λ2、λ3、
…
、λn共n个不同波长下的光纤线阵列共焦响应强度数据用于计算得到被测样品4表面各个测量点的位移信息。
[0022]
进一步地，如图2所示，本实施例中，所述色散物镜4包括依次同轴设置的消色差透镜301（焦距21 mm、通光孔径5.2mm）、凹透镜302（焦距
–
13.2 mm、通光孔径15mm）、、第一凸透镜303（焦距21.8mm、通光孔径25.4mm）、第二凸透镜304（（焦距32.3 mm、通光孔径25.4mm）和第三凸透镜305（焦距31.8 mm、通光孔径22mm），色散物镜4的基本工作原理如下：消色差透镜301将由光纤线阵列提供的多波长狭缝照明光束准直送入凹透镜302进行发散，然后被第一凸透镜303、第二凸透镜304、第三凸透镜305聚焦在光轴oa1上不同位置，如波长λ1=450nm、λ2=455 nm、λ3=460 nm、
…
、λn=750 nm的光聚焦在色散物镜光轴16.5mm、16.505 mm、16.510 mm、
…
、16.8 mm处，形成n条共面测量直线，记作l1、l2、l3、
…
、ln；n条共面测量直线组成的测量面照射到被测样品4表面，与样品表面相交得到一条测量相交线，被测样品4将照射在测量相交线的测量光束反射。
[0023]
本实施例中，所述波长分光装置5用于将线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n个不同探测区域得到测量相交线上m个点的光强值即为被测样4品在λ1、λ2、λ3、
…
、λn共n个不同波长下的光纤线阵列共焦响应强度数据。
[0024]
具体地，如图1所示，本实施例中，光纤阵列耦合器2包括照明端光纤阵列201、耦合单元202、成线状排布的公共端光纤阵列203、探测端光纤阵列204。多波长光源1包括n个能分别发出波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn光束的单波长光纤阵列光源101、1
×
n光纤阵列合束器102。
[0025]
具体地，如图1所示，本实施例中，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501两侧，从被测样品4表面反射的测量光束返回色散物镜4后，依次经光纤阵列耦合器2、第二光纤阵列法兰9后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，测量光束中不同波长的光束分开，然后经所述球面聚焦镜503反射后入射到探测器6的不同探测区域。波长分光装置5的基本工作原理如下：球面反射镜501将从第二光纤阵列法兰9的测量光束准直，照射到光栅502上，光栅502将不同波长的光衍射偏折不同的角度照射到球面反射镜503上，球面反射镜503将不同波长的光聚焦到探测器6中不同区域。
[0026]
进一步地，本实施例的一种多波长光纤线阵列共焦显微探测装置，还包括微处理器8，微处理器8用于接收探测器6的探测信号，即对待测样品表面测量相交线上同一测量点在λ1、λ2、λ3、
…
、λn共n个不同波长下的光纤线阵列共焦响应强度数据并进行差分处理，进而获取被测样品4表面测量相交线上m个点沿测量光束光轴oa1方向的位移信息。
[0027]
具体地，本实施例中，探测器6包括能探测波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn的直线测量光束强度的探测区域。
[0028]
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。
[0029]
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，经第一光纤阵列法兰7、光纤阵列耦合器2进入色散物镜3；色散物镜4将波长λ1=450nm、λ2=455 nm、λ3=460 nm、
…
、λn=750 nm的光聚焦在色散物镜4光轴16.5mm、16.505 mm、16.510 mm、
…
、16.8 mm处，形成n条共面测量直线，记作l1、l2、l3、
…
、ln；n条共面测量直线照射在被测样品4的表面上，得到一条测量相交线；被测样品4将照射在测量相交线上的测量光束反射，反射的线测量光束被色散物镜3收集，经光纤阵列耦合器2后从第二光纤阵列法兰9输出线测量光束，然后送入波长分光装置5；波长分光装置5将线测量光束中不同波长的光聚焦在探测器6的不同测量区域，形成测量线l1、l2、l3、
…
、ln的像l1´
、l2´
、l3´
、
…
、ln´
；探测器6得到测量相交线上m个点在照明波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的光纤线阵列共焦响应强度数据，分别为[i
11
, i
12
, i
13
,
…
, i
1m ]、[i
21
, i
22
, i
23
,
…
, i
2m ]、[i
31
, i
32
, i
33
,
…
, i
3m ]、
…
、[i
n1
, i
n2
, i
n3
,
…
, i
nm ]；通过对被测样品4表面测量相交线上同一测量点在相邻波长下的光纤线阵列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线阵列共焦响应数据[di
211
,di
212
,di
213
,
…
, di
21m ]、[di
321
,di
322
,di
323
,
…
, di
32m ]、[di
431
,di
432
,di
433
,
…
, di
43m
]、
…
、[di
n(n
–
1)1
,di
n(n
–
1)2
,di
n(n
–
1)3
,
…
,di
n(n
–
1)m ]；根据测量相交线上m个测量点所对应的（n-1）个相邻波长差分光纤线阵列共焦响应数据可以得到被测样品4测量相交线上m个测量点沿测量光束光轴oa1方向的位移信息。当利用运动平台沿垂直于测量光束光轴oa1和被测样品4表面测量相交线的方向移动多波长光纤线阵列共焦显微探测装置或被测样品4，可以获取被测样品4表面上不同测量相交线上点在沿测量光束光轴oa1方向的位移信息，进而重构被测样品4表面轮廓或形貌。
[0030]
实施例2本发明实施例2提供了一种多波长光纤线阵列共焦显微探测装置，与实施例1不同的是，本实施例中的探测模块的结构不同，其基于二色分光镜实现测量光束中n个不同波长的分离。
[0031]
如图3所示，本实施例中，所述波长分光模块5包括准直镜504、（n－1）个二色分光
镜505、n个会聚镜506、探测器6包括n个线阵探测器601。
[0032]
其工作原理如下：首先，所述准直镜504将通过第二光纤阵列法兰9输出的线测量光束进行准直，准直后的光束依次通过（n－1）个二色分光镜505后测量光束根据将波长的不同分开成n束；然后，分开后的n束不同波长测量光束分别经过n个会聚镜506会聚后分别入射到n个线阵探测器601探测；最终得到照明波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的光纤线阵列共焦响应强度数据[i
11
, i
12
, i
13
,
…
, i
1m ]、[i
21
, i
22
, i
23
,
…
, i
2m ]、[i
31
, i
32
, i
33
,
…
, i
3m ]、
…
、[i
n1
, i
n2
, i
n3
,
…
, i
nm ]。
[0033]
实施例3本发明实施例4提供了一种多波长光纤线阵列共焦显微探测装置，与实施例1不同的是，本实施例中的探测模块的结构不同，其基于窄带滤波片实现测量光束中不同波长的分离。
[0034]
如图4所示，本实施例中，所述波长分光装置包括准直镜504、（n-1）个分光镜507、n个窄带滤波片508、n个会聚镜506、探测器6包括n个线阵探测器601。
[0035]
其工作原理如下：首先，所述准直镜504将通过第二光纤阵列法兰9输出的线测量光束进行准直，准直后的线测量光束依次通过（n-1）个分光镜507后分为n束；然后，n束光分别经n个窄带滤波片508进行滤波后得到n束具有不同波长的光束；最后，n束具有不同波长的光束经n个会聚镜506聚焦到n个线阵探测器601上探测，得到λ1、λ2、λ3、
…
、λn共n个不同波长下的光纤线阵列共焦响应强度数据[i
11
, i
12
, i
13
,
…
, i
1m ]、[i
21
, i
22
, i
23
,
…
, i
2m ]、[i
31
, i
32
, i
33
,
…
, i
3m ]、
…
、[i
n1
, i
n2
, i
n3
,
…
, i
nm ]。
[0036]
实施例4如图5所示，本发明实施例4提供了一种多波长光纤线阵列共焦显微探测装置，包括多波长光源1、光纤阵列耦合器2、色散物镜3、光纤阵列波分复用器509和探测器6，第一光纤阵列法兰7、微处理器8和第二光纤阵列法兰9。
[0037]
与实施例1相同的是，本实施例中，多波长光源1包括能发出波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn的n个单波长光纤阵列光源101、1
×
n光纤阵列合束器102。光纤阵列耦合器2包括照明端光纤阵列201、耦合单元202、成线状排布的公共端光纤阵列203、探测端光纤阵列204。
[0038]
与实施例1不同的是，本实施例中的探测模块的结构不同，其基于光纤阵列波分复用器实现测量光束中n个不同波长的分离。具体地，本实施例中，波长分光装置5采用光纤阵列波分复用器509，探测器6包括n个光纤阵列探测器602。
[0039]
其基本工作原理如下：由n个单波长光纤阵列光源101和光纤阵列合束器102等组成的多波长光源1发出波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn的照明光束，经第一光纤阵列法兰7和照明端光纤阵列201进入光纤阵列耦合器2；光纤阵列耦合器2将多波长照明光束通过耦合单元202作用送至公共端光纤阵列203形成狭缝照明光束出射，进入色散物镜3；色散物镜3将从公共端光纤阵列203出射多波长狭缝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，形成n条垂直于光轴的共面测量直线，记作l1、l2、l3、
…
、ln；由色散物镜3聚焦形成的n条共面测量直线，照射在测量样品4表面，与样品4表面相交得到一条测量相交线；照射在被测样品4测量相交线上的测量光束被样品4表面反射，沿原光路返回，被色散物镜3收集，由公共端光纤阵列203过滤进入光纤阵列耦合器2；光纤阵列耦合器2将反射的测量光束经耦合单元202送至探测端光纤阵列204，然后经第二光纤阵列法兰9进入光纤阵列波分复用器
509；光纤阵列波分复用器509将测量光束中不同波长的光送至探测器6中不同探测区域，由n个光纤阵列探测器602探测得到被测样品表面测量相交线上全部m个点在照明波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的光纤线阵列共焦响应强度数据，分别为[i
11
, i
12
, i
13
,
…
, i
1m ]、[i
21
, i
22
, i
23
,
…
, i
2m ]、[i
31
, i
32
, i
33
,
…
, i
3m ]、
…
、[i
n1
, i
n2
, i
n3
,
…
, i
nm ]；微处理器8通过对测量相交线上同一点任意相邻波长的光纤线阵列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线阵列共焦响应数据[di
211
,di
212
,di
213
,
…
, di
21m ]、[di
321
,di
322
,di
323
,
…
, di
32m ]、[di
431
,di
432
,di
433
,
…
, di
43m
]、
…
、[di
n(n
–
1)1
,di
n(n
–
1)2
,di
n(n
–
1)3
,
…
,di
n(n
–
1)m ]，并根据（n-1）个相邻波长差分光纤线阵列共焦响应数据与样品位移之间的精确标定关系，获取被测样品4表面测量相交线上全部m个测量点沿测量光束光轴oa1方向的位移信息。
[0040]
实施例5如图6所示，本发明实施例5提供了一种多波长光纤线阵列共焦显微探测装置，包括多波长光源1、光纤阵列耦合器2、色散物镜3、时分驱动电路510、光纤阵列探测器602，第一光纤阵列法兰7、微处理器8和第二光纤阵列法兰9。
[0041]
与实施例1相同的是，本实施例中，多波长光源1包括能发出波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn的n个单波长光纤阵列光源101、1
×
n光纤阵列合束器102。光纤阵列耦合器2包括照明光纤阵列端201、耦合单元202、成线状排布的公共光纤阵列端203、探测光纤阵列端204。
[0042]
与实施例1不同的是，本实施例中的探测模块的结构不同，其基于时分驱动电路510实现测量光束中n个不同波长光束的分离。具体地，本实施例中，波长分光装置5具体为时分驱动电路510，探测器6包括1个光纤阵列探测器602。
[0043]
本实施例的工作原理如下：多波长光源1发出波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn的n波长照明光束；微处理器8控制时分驱动电路510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n个单波长光纤阵列光源101子模块供电，在t1、t2、t3、
…
、tn不同的时刻，依次发生波长为λ1、λ2、λ3、
…
、λn的照明光束，然后依次经光纤阵列合束器102、第一光纤阵列法兰7和照明光纤端阵列201进入光纤阵列耦合器2；光纤阵列耦合器2将多波长照明光束经耦合单元202发送至公共端光纤阵列203形成狭缝照明光束出射，出射光束入射至色散物镜3；色散物镜3将由公共端光纤阵列203出射的多波长狭缝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，形成n条垂直于光轴的共面测量直线，记作l1、l2、l3、
…
、ln；由色散物镜3聚焦形成的n条共面测量直线，照射在待测样品4表面，与待测样品4表面相交得到一条测量相交线；照射在待测样品4测量相交线上的测量光束被待测样品4的表面反射，沿原光路返回，被色散物镜3收集，然后由公共端光纤阵列203过滤进入光纤阵列耦合器2；光纤阵列耦合器2将反射的测量光束经耦合单元202作用后送至探测端光纤阵列204，通过第二光纤阵列法兰9送入光纤阵列探测器602，在t1、t2、t3、
…
、tn时刻从样品表面反射的线测量光束依次被光纤阵列探测器602接收，得到测量相交线上全部m个点在照明波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的光纤线阵列共焦响应强度数据，分别为[i
11
, i
12
, i
13
,
…
, i
1m ]、[i
21
, i
22
, i
23
,
…
, i
2m ]、[i
31
, i
32
, i
33
,
…
, i
3m ]、
…
、[i
n1
, i
n2
, i
n3
,
…
, i
nm ]；微处理器8通过对测量相交线上同一点任意相邻波长的光纤线阵列共焦响应强度数据进行差分处理得到（n－1）个相邻波长光纤线阵列差分共焦响应数据[di
211
,di
212
,di
213
,
…
, di
21m ]、[di
321
,di
322
,di
323
,
…
, di
32m ]、[di
431
,di
432
,di
433
,
…
, di
43m
]、
…
、[di
n(n
–
1)1
,di
n(n
–
1)2
,di
n(n
–
1)3
,
…
,
di
n(n
–
1)m ]，并根据（n－1）个相邻波长光纤线阵列差分共焦响应数据与样品位移之间的精确标定关系，获取样品表面4测量相交线上全部m个测量点沿测量光束光轴oa1方向的位移信息。
[0044]
实施例6本实施例提供了一种三波长点差分共焦显微探测方法，其基于实施例1~6中的任意一种探测装置实现，本实施例中，样品沿测量光束方向的位移信息获取有赖于构建（n－1）个相邻波长光纤线阵列差分共焦响应数据[di
211
,di
212
,di
213
,
…
, di
21m ]、[di
321
,di
322
,di
323
,
…
, di
32m ]、[di
431
,di
432
,di
433
,
…
, di
43m
]、
…
、[di
n(n
–
1)1
,di
n(n
–
1)2
,di
n(n
–
1)3
,
…
,di
n(n
–
1)m ]与被测样品位移之间的标定关系。由于各个探测装置中，色散物镜4、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）个相邻波长光纤线阵列差分共焦响应数据与被测样品位移之间的关系会偏离理论设计，因此本实施例通过实际测试来精确构建（n－1）个相邻波长光纤线阵列差分共焦响应数据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下的光纤线阵列共焦响应强度数据，然后对测量相交线上同一测量点在任意相邻波长下的光纤线阵列共焦响应强度数据的进行差分处理得到（n－1）个相邻波长光纤线阵列差分共焦响应数据；构建位移值与（n－1）个相邻波长光纤线阵列差分共焦响应数据之间的对应关系，实现（n－1）个相邻波长光纤线阵列差分共焦响应数据与位移之间关系的标定。
[0045]
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、
…
、zk=300μm，并同时由探测器8采集得到不同位移时在照明波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的光纤线阵列共焦响应强度数据[i
11
, i
12
, i
13
,
…
, i
1m ]、[i
21
, i
22
, i
23
,
…
, i
2m ]、[i
31
, i
32
, i
33
,
…
, i
3m ]、
…
、[i
n1
, i
n2
, i
n3
,
…
, i
nm ]，对于同一个测量点，照明波长λ1、λ2、λ3、
…
、下的光纤线阵列共焦响应强度曲线，如图7所示；通过对同一测量点的相同位移时任意相邻波长下的光纤线阵列共响应强度值做差分处理，得到相邻波长差分光纤线阵列共焦响应值与被测样品位移之间的关系曲线，如图8所示，可以实现（n-1）个相邻波长差分光纤线阵列共焦响应数据与样品测量点对应的位移之间关系的标定。
[0046]
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的测量相交线上各个测量点在波长λ1、λ2、λ3、
…
、λn下的光纤线阵列共焦响应强度值，然后对测量相交线上同一个测量点在任意相邻波长下的光纤线阵列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线阵列共焦响应数据；根据步骤s1得到的各个测量点的（n-1）个相邻波长差分光纤线阵列共焦响应数据与位移之间的标定关系，得到被测样品4上测量点的位移；s3、沿垂直于线测量光束和光轴的方向移动被测样品4，重复步骤s2，得到被测样品4表面不同测量相交线上的点在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。
[0047]
具体地，本实施例中，（n－1）个相邻波长差分光纤线阵列共焦响应数据的计算公式为：
[di
211
,di
212
,di
213
,
…
, di
21m
]=[(i
21
–i11
)/( i
21
i
11
), (i
22
–i12
)/( i
22
i
12
), (i
23
–i13
)/( i
23
i
13
),
…
, (i
2m
–i1m
)/( i
2m
i
1m
)]、[di
321
,di
322
,di
323
,
…
, di
32m
]=[(i
31
–i21
)/( i
31
i
21
), (i
32
–i22
)/( i
32
i
22
), (i
33
–i23
)/( i
33
i
23
),
…
, (i
3m
–i2m
)/( i
3m
i
2m
)]、[di
431
,di
432
,di
433
,
…
, di
43m
]=[(i
41
–i31
)/( i
41
i
31
), (i
42
–i32
)/( i
42
i
32
), (i
43
–i33
)/( i
43
i
33
),
…
, (i
4m
–i3m
)/( i
4m
i
3m
)]、
…
、[di
n(n
–
1)1
,di
n(n
–
1)2
,di
n(n
–
1)3
,
…
,di
n(n
–
1)m
]=[(i
n1
–i(n
–
1)1
)/( i
n1
i
(n
–
1)1
), (i
n2
–i(n
–
1)2
)/( i
n2
i
(n
–
1)2
), (i
n3
–i(n
–
1)3
)/( i
n3
i
(n
–
1)3
),
…
, (i
nm
–i(n
–
1)m
)/( i
nm
i
(n
–
1)m
)]或[di
211
,di
212
,di
213
,
…
, di
21m ]=[(i
21
–i11
), (i
22
–i12
), (i
23
–i13
),
…
, (i
2m
–i1m
)]、[di
321
,di
322
,di
323
,
…
,di
32m ]=[(i
31
–i21
), (i
32
–i22
), (i
33
–i23
),
…
, (i
3m
–i2m
)]、[di
431
,di
432
,di
433
,
…
, di
43m
]=[(i
41
–i31
), (i
42
–i32
), (i
43
–i33
),
…
, (i
4m
–i3m
)]、
…
、[di
n(n
–
1)1
,di
n(n
–
1)2
,di
n(n
–
1)3
,
…
,di
n(n
–
1)m ]=[(i
n1
–i(n
–
1)1
), (i
n2
–i(n
–
1)2
), (i
n3
–i(n
–
1)3
),
…
, (i
nm
–i(n
–
1)m
)]其中，di
21m
、di
32m
、
…
、di
n(n
–
1)m
表示被测样品（4）测量相交线上第m个点的（n-1）个相邻波长差分光纤线阵列共焦响应数据。
[0048]
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）个相邻波长差分光纤线阵列共焦响应数据；在实施过程中，可以先构建位移与这（n－1）个相邻波长差分光纤线阵列共焦响应数据的映射关系；在测量的时候，根据映射关系和测量计算的（n－1）个相邻波长差分光纤线阵列共焦响应数据得到位移值。
[0049]
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。