三波长光纤点差分共焦显微探测方法与装置与流程

技术特征：
1.三波长光纤点差分共焦显微探测装置，其特征在于，包括：三波长光源（1）、光纤耦合器（2）、色散物镜（3）和探测模块；所述三波长光源（1）用于发出包括三个不同波长的照明光束，所述三波长光源（1）的输出端通过照明端光纤（201）与所述光纤耦合器（2）的输入端连接，所述三波长光源（1）发出照明光束经光纤耦合器（2）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）后沿原光路返回至光纤耦合器（2），经所述光纤耦合器（2）输出后入射至探测模块，所述探测模块用于测量得到照明光束在三个不同波长下的单光纤共焦响应强度值，所述单光纤共焦响应强度值i1、i2、i3用于计算得到被测样品（4）表面的位移信息。2.根据权利要求1所述的三波长光纤点差分共焦显微探测装置，其特征在于，所述探测模块包括波长分光装置（5）和探测器（6）；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三个不同波长下的单光纤共焦响应强度值i1、i2、i3。3.根据权利要求2所述的三波长光纤点差分共焦显微探测装置，其特征在于，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依次经色散物镜（3）、光纤耦合器（2）、探测端光纤（204）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，各个波长的照明光束分开，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。4.根据权利要求1所述的三波长光纤点差分共焦显微探测装置，其特征在于，所述探测模块包括准直镜（504）、第一二色分光镜（505）、第二二色分光镜（506）和三个探测单元；所述准直镜（504）用于将从探测端光纤（204）输出的测量光束进行准直，准直后的光束依次通过第一二色分光镜（705）、第二二色分光镜（706）后将三个波长的测量光束分开，所述三个探测单元分别用于探测其中一个波长的测量光束；或者，所述探测模块包括准直镜（504）、第一分光单元（507）、第二分光单元（508）、三个窄带滤波片和三个探测单元；所述准直镜（504）用于将从探测端光纤（204）输出的测量光束进行准直，准直后的光束依次通过第一分光单元（507）、第二分光单元（508）后分为三束，每束光经分别一个窄带滤波片后变成单波长光束，三个单波长光束分别入射到其中一个探测单元，所述三个探测单元分别用于探测其中一个波长的测量光束；或者，所述探测模块包括波分复用器（512）和三个探测单元；或者，所述探测模块为光谱仪。5.根据权利要求1所述的三波长光纤点差分共焦显微探测装置，其特征在于，还包括微处理器（7）和时分驱动电路（512），所述微处理器（7）用于控制时分驱动电路（512）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三波长光源（1）中不同波长的子光源模块供电，在不同时刻，依次产生三个不同波长的单波长照明光束；所述探测模块为单探测器。6.根据权利要求1所述的三波长光纤点差分共焦显微探测装置，其特征在于，所述色散
物镜（3）包括依次同轴设置的消色差透镜（301）、凹透镜（302）、第一凸透镜（303）、第二凸透镜（304）和第三凸透镜（305）；所述三波长光源（1）包括第一单波长光纤光源（101）、第二单波长光纤光源（102）、第三单波长光纤光源（103）和光纤合束器（104），所述第一单波长光纤光源（101）、第二单波长光纤光源（102）、第三单波长光纤光源（103）的输出端与所述光纤合束器（104）连接。7.根据权利要求1所述的三波长光纤点差分共焦显微探测装置，其特征在于，还包括推进结构，所述推进机构用于沿垂直于测量光束的光轴方向移动被测样品（4）；或者，所述推进机构用于移动所述探测装置。8.三波长光纤点差分共焦显微探测方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种三波长光纤点差分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波长λ1、λ2、λ3下的共焦响应强度值，然后对任意相邻波长下的共焦响应强度值进行差分处理得到第一和第二差分共焦响应值；构建位移值与第一和第二差分共焦响应值之间的对应关系，实现第一和第二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（4）设置在测量光束的光轴上，测量并记录被测样品在波长λ1、λ2、λ3下的共焦响应强度值，然后任意相邻波长下的共焦响应强度值进行差分处理得到第一和第二差分共焦响应值；根据第一和第二差分共焦响应值与位移之间的标定关系，得到被测样品（4）的位移；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上的位移信息，从而获得被测样品（4）的形貌信息。9.根据权利要求8所述的三波长光纤点差分共焦显微探测方法，其特征在于，所述第一和第二差分共焦响应值的计算公式为：di
21
=(i2–
i1)/(i2 i1)，di
32
=(i3–
i2)/(i3 i2)；或di
21
=(i2–
i1)，di
32
=(i3–
i2)；其中，di
21
和di
32
分别表示第一差分响应值和第二差分响应值，i1、i2、i3分别表示测量装置在波长λ1、λ2、λ3下的单光纤共焦响应强度值。10.根据权利要求8所述的三波长光纤点差分共焦显微探测方法，其特征在于，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；或者为：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。

技术总结
本发明属于光学成像与检测技术领域，公开了一种三波长光纤点差分共焦显微探测方法与装置，装置包括三波长光源、光纤耦合器、色散物镜和探测模块；三波长光源发出的包括三个不同波长的照明光束经光纤耦合器后入射到色散物镜；色散物镜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色散物镜后沿原光路返回至光纤耦合器，经光纤耦合器后入射至探测模块，得到照明光束在三个不同波长下的共焦响应强度值，共焦响应强度值用于计算得到被测样品表面的位移信息。本发明具有信噪比高、测量速度快、结构简单、装配调整简单等优点。整简单等优点。整简单等优点。


技术研发人员：刘振国 刘林仙
受保护的技术使用者：山西大学
技术研发日：2021.10.28
技术公布日：2022/2/6