專利名稱：光纖面板共焦顯微鏡測量三維面形的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光電檢測技術領域，更進一步涉及數(shù)字化三維形貌自動測量的方法和裝置。
共焦顯微鏡是生產(chǎn)過程和生物醫(yī)學中的先進檢測工具。這主要是由它的高精度、高靈敏度所決定。它與其它的光電三維測量方法如同步掃描法、空間編碼法、結構光法、相移法、傅里葉變換法等相比有其不可替代的特點它不受照明陰影的限制，對于陡變物體同樣可測；它還可測散射面的物體，對鏡面物體同樣適用；更有價值的是用這種儀器可以用于生物細胞、DNA遺傳因子等的三維層析成像。它的深度分辨率依據(jù)所采用物鏡的數(shù)值孔徑不同可以從幾微米到幾十納米。共焦成像測量的基本思想是讓光線通過一針孔并經(jīng)雙向共焦光路聚焦于被測物體表面上，再從物體表面反射(散射)回的光線也沿著相同光路并進入針孔，這樣只有從嚴格像面上返回的光能全部通過針孔，其它非像面上返回的光被強烈抑制。物體上處于焦點位置的高度作為基準，由此即可測得物體上所有區(qū)域相對于此基準的高度，從而得到該物體的三維形面數(shù)據(jù)。早期的這類儀器每次只能測量一個點，這樣要測物體的全場將花費很多時間。所以后來陸續(xù)研制開發(fā)出多種全場測量的方案。
近年來，隨著科學技術的飛速發(fā)展，共焦顯微測量技術更加引起國內外工業(yè)界、醫(yī)學界、國防領域及科學家們的高度重視。許多發(fā)達國家都認識到它的重要作用，都將其作為精密檢測和醫(yī)學檢測領域中的重要技術內容予以研究，包括從定性觀察到定量分析、從光路結構到誤差分析、從數(shù)據(jù)采集到處理等。就具體方法按照每次采樣點可分為單點機械或光學掃描方式、多點針孔排列或轉盤掃描方式、采用集成光學元件全場方式等。目前已商業(yè)化的應用包括醫(yī)學臨床內耳、眼角膜的病理診斷、金屬或陶瓷鍍層檢測、半導體芯片、集成電路生產(chǎn)過程中的質量檢測等，如日本的Mistuhiro等人正致力于印刷電路板的在線檢測應用研究，美國的Paul.W Fieguth試圖采用更高精度的共焦系統(tǒng)以測量鏡面物體等。我國三維測量主要集中在大中型物體的輪廓測量上，精度在微米到納米的共焦測量技術的研究還很少。
目前效果最好和應用前景可能最大的一種方案是微透鏡陣列面板和針孔陣列面板組成的多光束共焦顯微鏡。采用這種集成光學器件的優(yōu)點，一則可以最大限度地利用光能；二則可把一束準直光分離為數(shù)萬甚至數(shù)十萬個細光束，由此實現(xiàn)全場并行測量，達到高速測量的目的。但是它存在重要的缺點(1)這種微型集成光學器件的制造難度高，儀器的整機調試要求非常嚴，從而生產(chǎn)成本高；(2)上述器件的表面反射光較強，使采集到的信號光的信噪比低，降低了測量精度；(3)為了減少上述反射光，在該系統(tǒng)的光路系統(tǒng)中增加了若干特種光學器件，不僅增加了成本，更會大幅度衰減光能；(4)儀器的測量靈敏度是固定的，無法針對不同的被測對象調整儀器的靈敏度。
本發(fā)明的目的在于針對微透鏡陣列或針孔陣列共焦顯微鏡的上述缺點，提出了一種光纖面板共焦顯微鏡測量三維面形的方法和裝置，能夠實現(xiàn)并行共焦測量，具有結構簡單、高精度、高信噪比等特點。
本發(fā)明的裝置包括一擴束準直光源，擴束準直光源的前面配置一棱鏡、棱鏡斜面反射光前配置一光束分割器，光束分割器出射的光前配置一共焦顯微系統(tǒng)，共焦顯微系統(tǒng)出射的光前放置被測物體，被測物體放置在高度方向掃描系統(tǒng)的平臺上，平臺與計算機圖像處理系統(tǒng)相連接。沿共焦顯微系統(tǒng)光軸方向透過棱鏡的光的前方配置一光采集系統(tǒng)，光采集系統(tǒng)與計算機圖像處理系統(tǒng)相連接。所說的擴束準直光源包括一光源，光源前依次排列的兩透鏡及兩透鏡間配置的光欄；所說的光束分割器為一光纖面板；所說的共焦顯微系統(tǒng)包括兩透鏡，兩透鏡間配置有光欄。所說的光采集系統(tǒng)包括兩透鏡及兩透鏡之間的光欄、CCD靶面和CCD攝像機。
本發(fā)明的方法是，讓擴束準直光源照在其右側棱鏡上，通過棱鏡斜面將光源照射到棱鏡下方的光束分割器上，再經(jīng)分割器下方的共焦顯微系統(tǒng)聚焦于沿透鏡系統(tǒng)光軸方向掃描的被測物體上，其反射光又經(jīng)原路返回到光束分割器上，通過棱鏡系統(tǒng)由其上的光采集系統(tǒng)輸入計算機圖象信息處理系統(tǒng)，由此即可自動求得被測物體表面的三維形貌數(shù)據(jù)。
本發(fā)明所設計的這種光纖面板同樣可以把一束準直光分割成數(shù)萬甚至數(shù)十萬個細光束，達到微透鏡——針孔陣列器件相同的功能。本發(fā)明的的實質在于(1)發(fā)現(xiàn)光纖具有斜入射平行光輸入后將以圓錐光輸出的特性，可完全替代微透鏡和針孔陣列組合器件；(2)發(fā)現(xiàn)上述光錐是一種薄壁光錐，故在相同數(shù)值孔徑條件下，測量靈敏度可大幅度提高；(3)所設計的棱鏡可以將信號光分離出來并被提??；(4)所設計的斜端面光纖面板可以完全排除器件的鏡面反射光對檢測信號光的影響；(5)提供了自由調節(jié)測量靈敏度的依據(jù)。
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述

圖1為光纖共焦顯微鏡系統(tǒng)的原理示意圖；圖2為光纖面板的光纖排列方式；圖3為光纖面板的外形種類；圖4為光纖面板的端面形式；
圖5為光纖的參數(shù)；圖6為光纖端面的處理；圖7為光纖輸入、輸出光斑形狀；圖8為返回輸出光錐；圖9為返回輸出光的分離；圖10為返回輸出光方向的矯正；圖11為斜端面和水平端面光纖的輸入、輸出及反射光的方向；圖12為斜平面光纖輸出光的分離；圖13為斜平面光纖輸出光方向的矯正方案之一；圖14為斜平面光纖輸出光方向的矯正方案之二；圖15為斜平面光纖輸出光未經(jīng)矯正的方向。
圖1是本發(fā)明的光學系統(tǒng)原理圖。單色或準單色光源1經(jīng)透鏡2、光欄3和透鏡4擴束并準直后照射到棱鏡5，只要對棱鏡5的斜面6的入射角大于臨界角，入射光就被全反射，照射光纖面板7后輸出N×N束圓錐形光斑，經(jīng)共焦顯微系統(tǒng)(透鏡8，光欄9，透鏡10)聚焦于被測物體表面11。從物面11反射回來的光又經(jīng)同一光路入射到光纖面板7，再經(jīng)光纖面板7返回輸出圓錐形光斑，藉棱鏡5和12把該信號光分離并向上輸出，經(jīng)透鏡13、光欄14、透鏡15聚焦于CCD靶面16。CCD攝象機17將視頻信號輸入計算機圖像處理系統(tǒng)18，經(jīng)計算就可測得物面上的聚焦光強。如果物面11作上下移動(掃描)，并連續(xù)采集聚焦光強信息，則可繪制出一條“位移——光強”曲線，其近似的理論表達式為I(Z)＝[sinkz(1-cosθ)/kz(1-cosθ]式中k為波數(shù)，sinθ為數(shù)值孔徑(NA)，z為被測點離焦點的高度，I(z)為對應于高度為z時的光強。
對應于光強峰值的位置，即為聚焦時的物面高度位置。由于光纖面板7內包含N*N根光纖，所以在上述掃描過程中，可同時測取物面11上N×N個點的高度，達到三維面形高速測量的目的。由垂直高度移動平臺20使工件作上下掃描，平臺20由驅動器19驅動，并由計算機控制。
本發(fā)明所提出的上述系統(tǒng)解決了一系列關鍵技術1.光纖面板的結構、參數(shù)與制造方法；2.光纖擴束與信號回輸?shù)囊?guī)律；3.光纖面板反射光的抑止技術；4.回輸信號光的分離與提取技術；5.提高測量靈敏度與精度的新途徑。
上述關鍵技術將結合圖2至圖15進行闡述。
圖2-圖6表明本發(fā)明提出的光纖面板的結構。圖2表明光纖的排列方式可以有三類錯位排列21、矩陣排列22和自由排列23。矩陣排列方式從理論上來說，可以使輸出信號光的光點矩陣和攝像機的CCD像元一一對準，可適量提高測量精度。但實際上是無法真正實現(xiàn)的。自由排列的光纖面板，制造雖較方便，但是光纖分布密度低而不勻。錯位排列的優(yōu)點是光纖分布密度最高，而且光纖排列工藝成熟。所以本發(fā)明優(yōu)先采用錯位排列。光纖面板的形狀除方形之外，還可以如圖3表示的圓形24、六角形25、八角形26或其它一切曲線與直線組成的形狀。由于光纖面板十分昂貴，故應充分利用它的可工作范圍。被測工件的表面多數(shù)是方形的，所以把光纖面板做成方形的應是首選方案。光纖面板的兩端面可以是平行的，如圖4(a)所示；也可是不平行的，也即其中一個端面與光纖垂直，另一個端面則與光纖不垂直，如圖4(b)所示。為了避免光纖端面反射光對測量的影響，應優(yōu)先采用傾斜端面的光纖面板。
光纖的具體尺寸需視測量分辨率、測量精度、測量面積、儀器體積、光纖面板制造工藝，以及配套光學系統(tǒng)的參數(shù)而定。光纖芯29的直徑d可在6微米至30微米之間，光纖包覆層30的外徑可在8微米至180微米之間，光纖間距p可在20微米至180微米之間。過小的光纖芯徑d會使光能損失過大；反之，過大的芯徑d則要求光纖間距p也大，導致分辨率降低或光纖面板尺寸過大。光纖間距p既可由光纖包覆層30的外徑D來決定(此時的粘接劑31厚度很薄)，如圖5(a)所示；也可由光纖間的粘結劑31的厚度來決定(此時的光纖包覆層30很薄)，如圖5(b)所示。前者在工藝上較容易實現(xiàn)，故本發(fā)明優(yōu)先采用該方案。圖6表明為了提高光纖的導光效率，可在光纖面板33上鍍增透膜32。
圖7(a)中，一束平行光34a以β角照射光纖35a的上端面，在光纖35a的另一端便輸出以β為錐頂角、以光纖直徑d為厚度的薄壁圓錐狀光場36a(以下簡稱“光錐”)。在入射角β小于光纖數(shù)值孔徑的條件下，入射角β越大，輸出光的錐頂角2β也越大；反之亦然，分別如圖7(a)和7(b)所示。圖7(b)的分析方法與圖7(a)相同，故不重復。
圖8中，光錐36c通過成像透鏡37a聚焦于被測物體表面11a，它又被反射并經(jīng)原光路輸回光纖35c，從光纖35c的頂端輸出此返回光束，它呈倒過來的薄壁光錐39a，它的側壁和光源的入射光34c相切。如果不采取特殊措施，則光源38a將把返回的光錐39a(實際上就是有用的信號光)擋住一部分，如圖8(a)所示，或大部分，如圖8(b)，從而無法正常地提取信號。圖8(b)的分析方法與圖8(a)相同，故不重復。
圖9表明本發(fā)明采用棱鏡5a把輸入光40a和輸出光錐43a/43b完全分離，從而可以很方便地采集到信號光錐43a/43b。其原理是這樣的入射光40a以等于臨界角α的方向投射到棱鏡5a的斜面，并被該斜面全反射到光纖35e的端面；另一方面，從該端面返回輸出的薄壁光錐投射到棱鏡5a的斜面時，由于入射角均小于臨界角α而透過。其中僅有一細光束與入射光束40a重疊，它被棱鏡5a的斜面反射回光源而浪費掉。進一步說，若入射光40a以大于臨界角α的方向投射到棱鏡5a的斜面，則從光纖5a的端面返回輸出的薄壁光錐43a/43b投射到棱鏡5a的斜面時，大部分或絕大部分信號光錐43a/43b會透過棱鏡5a而被采集并輸入計算機，僅小部分或極小部分被棱鏡5a的斜面反射到光源而浪費掉。
由上可見，只要入射光40a以等于或大于臨界角α投射到棱鏡5a的斜面，都會被全反射到光纖5a，而且輸出的光錐頂角2β可任意調節(jié)。根據(jù)共焦顯微鏡原理，上述光錐頂角(即數(shù)值孔徑)2β越大，則測量靈敏度越高；反之亦然。所以本發(fā)明采用光纖面板作為核心器件，可以達到任意改變測量靈敏度的目的?，F(xiàn)有的其它方案都是無法做到的根據(jù)共焦顯微鏡的另一原理，光錐端面36(見圖7、圖8)的光強分布特性也會影響測量靈敏度，近軸區(qū)光強密度越集中，則測量靈敏度越低；反之，則越高。本發(fā)明的光錐是薄壁光錐，光能量全部集中于圓周區(qū)，所以測量靈敏度特別高。這無疑是其它方案所無法比擬的突出優(yōu)點。
圖9還可知，信號光錐43a/43b的軸線42輸出方向因受棱鏡5a斜面的折射而偏向一邊，這不利于采集信號光錐的光學系統(tǒng)的結構設計。本發(fā)明增加了一個直角棱鏡12a，如圖10所示，信號光錐45a/45b的軸線44的方向被矯正得與光纖軸線平行。這樣一來，光學系統(tǒng)的主光軸便可全部處于鉛直方向，從而便于設計和制造。
現(xiàn)有的微透鏡陣列或針孔陣列共焦顯微鏡存在一個共同問題，即微透鏡或針孔器件的表面反光強烈，必須增加特殊的光學系統(tǒng)來減少反射光的影響和提高信噪比。這不僅增加了系統(tǒng)的復雜性和光能的損失，而且也無法徹底消除這種反射光對測量精度的影響。本發(fā)明則采取如下特殊方法來解決反射光問題。如圖11所示當光源46以α角入射到光纖35g的端面，該端面若為水平面47，則表面反射光方向為48b，它實際上混雜在信號光錐48a/48b的側邊內，使信噪比降低；而當光纖端面傾斜γ角至51時，反射光方向就偏斜到52，和前述反射光的夾角為δ，從而把此反射光52和信號光錐48a/48b徹底分離。
δ＝sin[(n1/n0)sinφ]-sin[(n1/n0)sin(γ+φ)]-α其中n1和n0分別為光纖芯材和空氣的折射率，φ為在纖芯內的光錐半頂角。
從圖11還可以發(fā)現(xiàn)另一個非常重要的現(xiàn)象在光纖端面為水平面47的條件下，從光纖返回輸出的光錐主軸49同光纖35g的軸線一致；而在光纖端面為傾斜面51的條件下，從光纖返回輸出的光錐主軸54則向右偏斜θ，從而更加遠離反射光52。
θ＝(β+ε-2γ)/2其中β為光源50對光纖斜端面51的入射角，ε為光錐左側邊緣53b和光纖斜端面51的法線之夾角。
由此可見，只要光纖端面傾斜角γ足夠大，則不需任何特殊光學系統(tǒng)或其它措施，反射光52就可以被徹底排除到信號光錐53a/53b之外，大幅度提高測量的信噪比。
當光纖端面為傾斜的情況下，為了把信號光錐53c/53d分離出來，可采用和圖9相似的方法。如圖12所示棱鏡5c把光錐53c/53d同入射光55分離，但光錐主軸54a嚴重右偏。為了矯正光錐方向，可以采用如圖13所示的底面傾斜的棱鏡5d，或采用如圖14所示的頂面傾斜的棱鏡12b，把輸出光錐主軸54b矯正到與光纖軸線方向平行。這樣一來，信號光錐53e/53f或53g/53h就可被鉛直布置的光學系統(tǒng)采集，這樣的儀器結構設計和制造都較方便。反之，若仍按圖10那樣的方法，采用兩個直角棱鏡(如圖15中的5f和12d)則無法矯正光錐主軸54的方向。
從以上闡明的本發(fā)明的原理、方法和裝置可以看出本發(fā)明相對于其它共焦顯微鏡三維形面測量技術具有一系列優(yōu)點(1)更有效地消除反射光對信號光的干擾，大幅度提高信噪比；(2)在同樣的數(shù)值孔徑條件下，測量靈敏度高得多；(3)測量靈敏度和測量精度可調；(4)省略為了減少表面反射而需要的偏振棱鏡、偏振片和λ/4波片等光學器件，不僅簡化了結構，而且可以減少光能損失達四倍以上；(5)光學系統(tǒng)的器件少、安裝和調整簡便、維修容易、整體制造成本較低。
本發(fā)明與針孔陣列器件方案一樣，大部分入射光被攔住，僅約1/20的光能通過面板而被利用，這是相對于微透鏡陣列面板方案的主要缺點。但由于半導體光源器件的迅速發(fā)展，低成本高功率的固體光源不斷出現(xiàn)，所以上述缺點不會造成實質性的困難。從另一方面來看，本發(fā)明不必為消除光學器件的表面反射而增添附加光學器件，從而避免了大量的光能損失，由此可得到補償。
權利要求
1.光纖面板共焦顯微鏡測量三維面形的方法，其特征在于，讓擴束準直光源照在其右側棱鏡上，通過棱鏡斜面將光源照射到棱鏡下方的光束分割器上，再經(jīng)分割器下方的共焦顯微系統(tǒng)聚焦于沿透鏡系統(tǒng)光軸方向掃描的被測物體上，其反射光又經(jīng)原路返回到光束分割器上，通過棱鏡系統(tǒng)由其上的光采集系統(tǒng)輸入計算機圖象信息處理系統(tǒng)，由此即可自動求得被測物體表面的三維形貌數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所說的棱鏡斜面的入射角等于或大于臨界角。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，當光纖端面為傾斜的情況下，為了把信號光錐(53c/53d)分離出來，可采用底面傾斜的棱鏡(5d)或頂面傾斜的棱鏡(12b)，把輸出錐主軸(54b)矯正到與光纖軸線方向平行。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所說的擴束準直光源輸出的準直光的截面積等于或大于光纖面板的截面積。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，光源(1)經(jīng)擴束并準直的平行光束被棱鏡(5)的斜面(6)反射到光纖面板(7)并被它分割和擴束成N×N個薄壁光錐，再利用共焦顯微鏡系統(tǒng)(8)、(9)、(10)聚焦于被測物體表面(11)，從表面(11)反射回來的光沿原路進入光纖面板(7)，透過棱鏡(5)和(12)以及共焦顯微鏡系統(tǒng)(13)、(14)、(15)聚焦于CCD靶面(16)上，CCD攝象機(17)的電視信號輸入計算機圖像處理系統(tǒng)(18)，位移平臺(20)使被測物體作上下垂直掃描運動，從而就可測得物體的三維形貌數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，反射到光纖面板的光線對光纖面板的入射角應小于或等于光纖的數(shù)值孔徑，并符合光纖輸出光錐所要求的數(shù)值孔徑。
7.光纖面板共焦顯微鏡測量三維面形的裝置，包括一擴束準直光源，其特征在于，擴束準直光源的前面配置一棱鏡，棱鏡斜面反射光前配置一光束分割器，光束分割器出射的光前配置一共焦顯微系統(tǒng)，共焦顯微系統(tǒng)出射的光前放置被測物體，被測物體放置在高度方向掃描系統(tǒng)的平臺上，平臺與計算機圖像處理系統(tǒng)相連接，沿共焦顯微系統(tǒng)光軸方向透過棱鏡的光的前方配置一光采集系統(tǒng)，光采集系統(tǒng)與計算機圖像處理系統(tǒng)相連接。
8.根據(jù)權利要求7所述的裝置，其特征在于所說的光束分割器為一光纖面板。
9.根據(jù)權利要求7、8所述的裝置，其特征在于，所說的光纖面板為方形，多邊形的，封閉曲線形的或任何曲線與直線組合形的。
10.根據(jù)權利要求7、8所述的裝置，其特征在于，所說的光纖面板的排列方式為錯位排列、矩陣排列或自由排列。
11.根據(jù)權利要求7、8所述的裝置，其特征在于，光纖的芯徑d為6微米—30微米；包覆層(30)外徑D為8微米—180微米；光纖間距p為20微米—180微米；粘結劑(31)充滿光纖間的所有空隙；光纖的數(shù)值孔徑大于0.05；一塊光纖面板(7)包含的光纖數(shù)量在10,000根以上。
12.根據(jù)權利要求7、8所述的裝置，其特征在于，所說的光纖面板上鍍有增透膜。
13.根據(jù)權利要求7、8所述的裝置，其特征在于，所說的棱鏡可鍍有半透半反膜。
14.根據(jù)權利要求7、8所述的裝置，其特征在于，如圖13中的棱鏡(5d)的底面與水平面成一夾角，棱鏡(5d)的斜面(6d)同水平面的夾角大小以及棱鏡(5d)的底面同水平面的夾角大小，應保證從光纖輸出的光錐頂角符合預定要求，棱鏡(12b)的頂面是水平的，棱鏡(12b)的斜面與棱鏡(5d)的斜面應該平行并保持一定的空氣間隙。
15.根據(jù)權利要求7、8所述的裝置，其特征在于，棱鏡(5e)的底面也可以是水平的，而棱鏡(12c)的頂面則是傾斜的，棱鏡(5e)的斜面同水平面的夾角大小應保證從光纖輸出的光錐頂角符合預定要求，棱鏡(5e)與棱鏡(12c)的其它特征和棱鏡(5d)與棱鏡(12b)相同。
16.根據(jù)權利要求7、8所述的裝置，其特征在于，棱鏡(5)的底面和棱鏡(12)的頂面也都可以是水平的，即都是直角棱鏡，但此時的信號光錐(53i/53j)的軸線(54d)是傾斜的，信號采集系統(tǒng)必然也是傾斜的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖面板共焦顯微鏡測量三維面形的方法和裝置。讓擴束準直光源照在其右側棱鏡上,通過棱鏡斜面將光源照射到棱鏡下方的光束分割器上,再經(jīng)分割器下方的共焦顯微系統(tǒng)聚焦于沿透鏡系統(tǒng)光軸方向掃描的被測物體上,其反射光又經(jīng)原路返回到光束分割器上,通過棱鏡系統(tǒng)由其上的光采集系統(tǒng)輸入計算機圖象信息處理系統(tǒng),由此即可自動求得被測物體表面的三維形貌數(shù)據(jù),具有測量信噪比高、靈敏度高并且可調、結構較簡單、裝配調試方便、制造成本較低等優(yōu)點。
文檔編號G02B21/36GK1269517SQ0011379
公開日2000年10月11日 申請日期2000年4月26日 優(yōu)先權日2000年4月26日
發(fā)明者譚玉山, 王昭, 孔兵, 彌寧 申請人:西安交通大學