多光源並行共焦顯微探測系統的製作方法
2023-05-04 04:31:51 1
專利名稱：多光源並行共焦顯微探測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學探測裝置領域、雷射測量領域及微納米測量領域。
技術背景雷射共焦顯微鏡與普通顯微鏡相比，具有更高的解析度和層析成像能力，被 廣泛應用於生物、生命科學、微納米製造以及材料等科學研究領域。近年發展起 來的基於微光學器件的非掃描並行共焦顯微探測技術相對於單點共焦顯微探測，進一步提高了探測速度及效率。非掃描並行共焦顯微探測通過微光學器件(微透 鏡陣列)能夠實現對光束的分割，從而由單點測量變成多點同時測量。由於雷射 具有良好的相干性，所以在通過單元尺寸為亞毫米量級的微透鏡陣列後，因存在 衍射致使"焦點像"不是唯一的，會沿著光軸出現多焦面現象，這種特性就是所 謂的"泰伯效應"。在多泰伯像存在的情況下，為了能夠正確辨識真正的焦點位 置，必須使測量範圍小於泰伯間距(泰伯像之間的軸向距離)，由此限制了雷射 並行共焦顯微探測技術的應用範圍。 發明內容本發明的目的是提供一種多光源並行共焦顯微探測系統，採用三種不同波長 的雷射器構建並行共焦探測系統的合成光源系統，以解決傳統的共焦顯微鏡由於 泰伯效應而限制了應用範圍的問題。為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案為多光源並行共焦顯微探測系統，包括有並行共焦探測系統，所述並行共焦探 測系統包括準直透鏡，所述準直透鏡光路前方依次設置有微透鏡陣列、分光鏡、 第一望遠物鏡、第二望遠物鏡及被測物面，所述分光鏡反射面的一側還設置有面 陣CCD;其特徵在於還包括多個並行放置的雷射器，在多個雷射器的出光口 安裝有合束器，所述合束器將多種不同波長的雷射束集合成一束以擴大泰伯間 距，所述合束器的出光口位於所述準直透鏡的焦點處；從多個雷射器發出的光經 過合束器合束後，在準直透鏡的焦點處出射，出射光被準直透鏡擴展後平行入射 至微透鏡陣列，經微透鏡陣列會聚成點光源陣列，點光源陣列發出的光依次經過3分光鏡、第一望遠物鏡後平行出射，再經過第二望遠物鏡後會聚於放置在工作檯 的被測物面上，被測物面上的反射光按照光路可逆原理反射至分光鏡，並被分光 鏡反射至面陣CCD。所述的多光源並行共焦顯微探測系統，其特徵在於所述微透鏡陣列的口徑 尺寸滿足所述準直透鏡擴展後的平行光能夠充滿微透鏡陣列。所述的多光源並行共焦顯微探測系統，其特徵在於所述微透鏡陣列為42 X42的微透鏡陣列。所述的多光源並行共焦顯微探測系統，其特徵在於所述三個並行放置的激 光器的波長分別為650nm、 473nm和405nm。本發明採用650nm、 473nm和405nm三種波長的雷射器構建並行共焦探測 系統的合成光源系統，三種波長雷射器獨立工作時的泰伯間距分別為115.56微 米(波長為650nm的光源)、158.80微米(波長為473nm的光源)、185.46微米 (波長為405nm的光源)；而合成光源的泰伯間距則變成22.08毫米，比單光源 的泰伯間距擴大了 IOO多倍，能滿足20毫米區間內的測量，適用於微小器件幾 何參量測量的需求。本發明通過採用多種波長的雷射器構建並行共焦探測系統的合成光源，在保 證雷射並行共焦系統解析度以及測量速度的前提下，克服了泰伯效應的影響，實 現了大量程的高精度測量，從而擴大了並行共焦探測系統的應用範圍。
圖l為單波長光束共焦系統物方軸向光強分布示意圖。 圖2為合成光束共焦系統物方軸向光強分布示意圖。 圖3本發明結構示意圖。
具體實施方式
多光源並行共焦顯微探測系統，包括有三個雷射器l，三個雷射器l的波長 分別為650nm、 473nm和405nm，三個雷射器1並行放置後，在三個雷射器1 的出光口安裝有合束器2，三個雷射器1發出的光進入合束器2，由合束器2合 成後，再從合束器2的出光口出射，合束器2出光口前方設有準直透鏡3，合束 器2的出光口位於準直透鏡3 —側的焦點處，準直透鏡3另一側設有微透鏡陣列 4，微透鏡陣列4為42X42的微透鏡陣列，微透鏡陣列4的口徑尺寸滿足準直透鏡3擴展後的平行光能夠充滿微透鏡陣列4，微透鏡陣列4的光路前方依次設有 分光鏡5、第一望遠物鏡6和第二望遠物鏡7，分光鏡5反射面的一側還設置有 面陣CCD8;還包括有可移動的工作檯，工作檯位於第二望遠物鏡7後面且能沿 第二望遠物鏡7後面的光路移動，被測物面9放置於工作檯上並隨工作檯一起移 動；工作檯上固定有光柵尺用於測量工作檯的移動距離，三個雷射器1發出的光 經過合束器2合成後，在準直透鏡3的焦點處出射，出射光被準直透鏡3擴展後 平行入射至微透鏡陣列4，光經微透鏡陣列4會聚成點光源陣列，點光源陣列發 出的光依次經過分光鏡5，第一望遠物鏡6後平行出射，再經過第二望遠物鏡7 會聚於放置在工作檯的被測物面9上，被測物面9上的反射光按照光路可逆原理 反射至分光鏡5，並被分光鏡5反射至面陣CCD8。A=650nm、 =473nm和^ =405nm的三個雷射器的光束經過合束器合成後會聚在準直透鏡的焦點上，由準直透鏡擴展成充滿42X42的微透鏡陣列口徑的 平行光，再由微透鏡陣列會聚成42X42的點光源陣列。望遠物鏡將點光源成像 到被測物面上，繼而望遠物鏡又將物面上的陣列點成像到面陣CCD上。當物面 上的採樣點恰好位於望遠物鏡的焦面上時，CCD接收到的光點直徑最小、中心 點的光強值最大，我們稱此為焦點像;物面上採樣點的位置無論是近焦還是遠焦， CCD接收到的光點直徑都會擴大、中心點的光強值都會降低。被測物面隨著由 長光柵進行動態位移探測的工作檯作軸向移動，根據CCD採集的圖像，即可確 定物面上不同探測點各自的焦點位置(軸向坐標)，由此即可重構被測表面的輪 廓。若工作檯的定位精度及CCD的探測精度能夠滿足納米測量的需求，則該並 行共焦顯微探測系統除了能用於生命科學實驗，還能用於MEMS器件的加工質 量檢測。基本原理如下單波長光束通過微透鏡陣列後，光強分布的傅立葉展開如下
formula see original document page 5
光強的軸向分布如圖l所示(橫軸為軸向坐標，單位是^m ;縱軸表示光強)， 當^=2]\^2/;1時(JV = 0，±1，±2，…)，光強分布曲線出現峰值。定義出現峰值 的點為泰伯點，則泰伯點間的間距即為泰伯間距。三種不同波長的雷射光束混合後再通過微透鏡陣列，它們各自具有不同的泰 伯距離，合成光束光強的軸向分布為各分光束光強疊加的結果。合成光束光強軸 向分布曲線如圖2所示(橫軸為軸向坐標，單位是pm ;縱軸表示光強)。除了 在共焦點會出現極值點以外，必須等各分光束的泰伯點位置再次重合才會出現合 成光束的泰伯點。通過計算機仿真可以確定650nm、 473nm和405nm三種波長 合成光束的泰伯間距為22.08mm。
權利要求
1、多光源並行共焦顯微探測系統，包括有並行共焦探測系統，所述並行共焦探測系統包括準直透鏡，所述準直透鏡光路前方依次設置有微透鏡陣列、分光鏡、第一望遠物鏡、第二望遠物鏡及被測物面，所述分光鏡反射面的一側還設置有面陣CCD；其特徵在於還包括多個並行放置的雷射器，在多個雷射器的出光口安裝有合束器，所述合束器將多種不同波長的雷射束集合成一束以擴大泰伯間距，所述合束器的出光口位於所述準直透鏡的焦點處；從多個雷射器發出的光經過合束器合束後，在準直透鏡的焦點處出射，出射光被準直透鏡擴展後平行入射至微透鏡陣列，經微透鏡陣列會聚成點光源陣列，點光源陣列發出的光依次經過分光鏡、第一望遠物鏡後平行出射，再經過第二望遠物鏡後會聚於放置在工作檯的被測物面上，被測物面上的反射光按照光路可逆原理反射至分光鏡，並被分光鏡反射至面陣CCD。
2、 根據權利要求1所述的多光源並行共焦顯微探測系統，其特徵在於所述微 透鏡陣列的口徑尺寸滿足所述準直透鏡擴展後的平行光能夠充滿微透鏡陣 列。
3、 根據權利要求1所述的多光源並行共焦顯微探測系統，其特徵在於所述微 透鏡陣列為42X42的微透鏡陣列。
4、 根據權利要求1所述的多光源並行共焦顯微探測系統，其特徵在於所述三個並行放置的雷射器的波長分別為650nm、 473nm和405nm。
全文摘要
本發明涉及多光源並行共焦顯微探測系統，包括有多個雷射器，多個雷射器的出光口處安裝有合束器，合束器的出光口前方設有準直透鏡，合束器的出光口位於準直透鏡一側的焦點處，準直透鏡另一側設有微透鏡陣列，微透鏡陣列的光路前方設有分光鏡、第一望遠物鏡和第二望遠物鏡，分光鏡反射面的一側還設置有面陣CCD；還包括有可移動的工作檯，工作檯上固定有光柵尺，其位於第二望遠物鏡的光路上，被測物面放置於工作檯上並隨工作檯一起移動。本發明通過採用多種波長的雷射器構建並行共焦探測系統的合成光源，在保證雷射並行共焦系統解析度以及測量速度的前提下，克服了泰伯效應的影響，實現了大量程的高精度測量，從而擴大了並行共焦探測系統的應用範圍。
文檔編號G01B11/00GK101666620SQ20091014507
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月27日 優先權日2009年9月27日
發明者卿 餘, 餘曉芬, 劉文文, 王永紅 申請人:合肥工業大學