基於數字微鏡光源的並行共焦測量系統及測量方法

2023-11-04 13:57:07 2

專利名稱：基於數字微鏡光源的並行共焦測量系統及測量方法
技術領域：
本發明涉及應用於三維形貌檢測的測量系統，更具體地說是一種並行共焦測量 系統。
背景技術：
傳統的並行共焦顯微鏡通常採用Nipkow轉盤、微針孔陣列、微光學器件(如 微透鏡陣列等)實現對光束的分割，從而由單點測量變成多點同時測量，但是這些光學 器件一旦製成，光源的參數就固定了，若要改變光源點的分布及尺寸就必須更換光學器 件，這不僅提高了成本，還限制了並行共焦系統的部分應用。

發明內容
本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種可以任意改變光源 的形狀、大小，改變光源陣列疏密等參數，以增強並行共焦測量系統獲取表面信息的能 力的基於數字微鏡光源的並行共焦測量系統。本發明解決技術問題採用如下技術方案本發明基於數字微鏡光源的並行共焦測量系統的特點是設置以DMD微鏡控制 系統和DMD晶片構成的、可以控制DMD晶片中任一微鏡的偏轉的DMD系統；準直光 源發出的光束在所述DMD系統中形成反射，由所述DMD系統形成的反射光經過成像透 鏡形成測量所需的光源，所述測量所需的光源依次經過分光鏡和望遠鏡系統投照在工作 臺上的被測物表面，由所述被測物將投照在其表面的光束反射至面陣CCD，構成並行共 焦測量系統。與已有技術相比，本發明有益效果體現在本發明利用DMD構建了一種柔性的數字微鏡光源，並將其應用於並行共焦測量 系統，可以按照需要，方便、快捷地控制微鏡陣列中每個微鏡的偏轉狀態，從而構建出 不同形狀、任意大小的柔性光源。


圖1為本發明中用於消除泰伯效應對並行共焦測量影響的DMD控制流程圖。圖2測量表面有細槽的被測物的DMD控制流程圖。圖3為本發明原理圖。圖中標號1準直光源、2為DMD系統、3成像透鏡、4分光鏡、5望遠鏡系 統、6工作檯、7面陣CCD7。
具體實施例方式參見圖3，本實施例設置以DMD微鏡控制系統和DMD晶片構成的DMD系統 2，並行共焦測量系統中的DMD進行工作時，可以將每個微鏡以縱橫坐標的形式加以區分，再通過DMD微鏡控制系統對每個坐標點上的微鏡進行編程，分別控制它們的偏轉情 況。如圖3所示，準直光源1發出的光束在DMD系統2中形成反射，由DMD系統 2形成的反射光經過成像透鏡3形成測量所需的光源，測量所需的光源依次經過分光鏡4 和望遠鏡系統5投照在工作檯6上的被測物表面，由被測物將投照在其表面的光束反射至 面陣CCD7，構成並行共焦測量系統。DMD晶片是由800' 600的微鏡陣列構成的光學器件，其中每個微鏡都有0°、 +12°和-12°三種狀態，0°時微鏡處於「非工作」狀態；工作狀態下，+12°時微鏡將 照射而來的光線反射後形成光源點，-12°時經微鏡反射後的光線則被吸收屏吸收，不參 與構建光源。本發明所涉及的DMD微鏡控制系統可以對微鏡陣列中每個坐標點上的微 鏡進行編程，分別控制它們的偏轉情況，這樣就可以控制+12°偏轉的微鏡在微鏡陣列中 的位置任意分布，從而形成所需的光源。設系統中準直光源的波長為λ，測量量程為L，系統要求的橫向解析度為δ， 系統的放大率為M，DMD晶片是由m' η個微鏡構成的微鏡陣列，每個正方形微鏡的邊 長為Citl，每個微鏡在陣列中的位置用φ」表示，其中i和j分別表示該微鏡的橫坐標和縱 坐標，i=l，2，…，m ； j = 1, 2，…，η;那麼k' k個微鏡構成的點光源大小為 kd。，kd。；本實施例中的測量方法按如下步驟進行a、由泰伯間距的公式z = 2d/l，為使系統量程達到L，則所構建的光源周期d = Ci1,此時點光源間距N1 = Vd0 ；
/= 1+ CiNl,2+ aNu—,k+ αΝλ j= 1+ bK,2+ bK,-,k+ bK _8] ^控制^偏轉+⑵，其中^，仏如肅剛
b= 0,l,2,-Xn/ {k+ N1)]其餘微鏡偏轉-12°，構建出預覽光源；由所述預覽光源確定點光源對應區域 的正焦面位置；C、由d2 = d/M確定光源周期光源點間距N2 = d2/d0 ；
/'= 1+ aN2,2 + aN2,---,k+ CtN2
/■= 1+ bN7,2+ bN7,-,k+ bN7 [_] d、控制(偏轉+『，其中β= ^2Iwa2+卸]
b= 0,1,2,…,[ /(眾+TV2)]其餘微鏡偏轉-12°，構建出測量光源；在已探知正焦面位置的情況下，用測 量光源進行並行共焦測量，得到各採樣點的坐標值。上述測量方法的控制流程如圖1所示，這一測量方法可以消除泰伯效應對並行 共焦測量的影響。如果被測物表面有細槽時，亦可通過該方法測量槽寬 及表面其餘位置的表面形 貌，測量方法為1、控制 φ, j 偏轉+12°i = l+aN2, 2+aN2,…，N^aN2
j = 1，2，…，ηa = 0, 1，2，…，[m/(N^N2)]其餘微鏡偏轉-12°，構建粗細為Ci1,間距為d2的縱向條紋光源；2、條紋光源照射在細槽上時，會在槽的邊緣出現兩個折點，計算縱向條紋下的 折點寬度Y1 ；
i = l，2，-"，m3、控制 φ, j 偏轉 +12° J= 1+ bNA,2+ bN4,-,N3+bN4
b= 0,1,2, ···,[ /OV3+ TV4)]其餘微鏡偏轉-12°，構建粗細為d3，間距為d4的橫向條紋光源；4、計算橫向條紋下的折點寬度y2 ；5、當y1; Y21O時，由^y=Ay2 ii計算細槽的真實寬度；
V y\ y^而當yi = 0 時，y = y2 ；反之，y = Y1 ；6、由d = d/M確定光源周期光源點間距N = d/d0 ；
/'= 1+ CiN,2+ aN,".,k+ aN
^ /= 1+ bN,2+ bN,-,k+ bN了、控制偏轉+『，其中β=0Λ2,..如/W州
b= 0,1,2,…,[ /(眾+TV)]其餘微鏡偏轉-12°，構建了測量光源；8、用測量光源對 表面其餘位置進行並行共焦測量，得到各採樣點的坐標值。其 控制流程如圖2所示。
權利要求
1.基於數字微鏡光源的並行共焦測量系統，其特徵是設置以DMD微鏡控制系統和 DMD晶片構成的、可以控制DMD晶片中任一微鏡的偏轉的DMD系統(2)；準直光源 (1)發出的光束在所述DMD系統(2)中形成反射，由所述DMD系統(2)形成的反射光 經過成像透鏡(3)形成測量所需的光源，所述測量所需的光源依次經過分光鏡(4)和望遠 鏡系統(5)投照在工作檯(6)上的被測物表面，由所述被測物將投照在其表面的光束反射 至面陣CCD(7)，構成並行共焦測量系統。
2.—種權利要求1所述基於數字微鏡光源的並行共焦測量系統的測量方法，設系統中準直光源的波長為λ，測量量程為L，系統要求的橫向解析度為δ，系統 的放大率為M，DMD晶片是由m' η個微鏡構成的微鏡陣列，每個正方形微鏡的邊長為 d0,每個微鏡在陣列中的位置用(Ι」表示，其中i和i分別表示該微鏡的橫坐標和縱坐標， i = 1, 2，…，m ； j = 1, 2，…，η；那麼k' k個微鏡構成的點光源大小為kdQ' kd0 ； 其特徵是所述測量方法按如下步驟進行a、由泰伯間距的公式z= 2d/l，為使系統量程達到L，則所構建的光源周期d = d1， 此時點光源間距N1 =d1/d。；b、控制di,j偏轉+12°，其中
全文摘要
本發明基於數字微鏡光源的並行共焦測量系統及測量方法，其特徵是設置以DMD微鏡控制系統和DMD晶片構成的、可以控制DMD晶片中任一微鏡的偏轉的DMD系統；準直光源發出的光束在所述DMD系統中形成反射，由DMD系統形成的反射光經過成像透鏡形成測量所需的光源，測量所需的光源依次經過分光鏡和望遠鏡系統投照在工作檯上的被測物表面，由被測物將投照在其表面的光束反射至面陣CCD，構成並行共焦測量系統。本發明利用DMD構建了一種柔性的數字微鏡光源，並將其應用於並行共焦測量系統，可以按照需要，方便、快捷地控制微鏡陣列中每個微鏡的偏轉狀態，從而構建出不同形狀、任意大小的柔性光源。
文檔編號G01B11/24GK102012218SQ20101054703
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月17日 優先權日2010年11月17日
發明者餘卿, 餘曉芬 申請人:合肥工業大學