CN114001645A - 三波长光纤点差分共焦显微探测方法与装置 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
本发明属于光学成像与检测技术领域，具体涉及一种三波长光纤点差分共焦显微探测方法与装置，可用于集成电路、MEMS器件、微镜阵列、微流体器件等各类微纳精密样品的表面形貌高速高精度测量。
背景技术
共焦显微镜由美国人Marvin Minsky于1957年发明，其基本原理是将点光源、物体、点探测器置于彼此共轭的位置，上述共轭设计使得共焦显微镜具有轴向层析能力，能满足各类微纳结构的表面形貌测量。但是，传统共焦显微镜在实现轴向层析测量的过程中，需要控制运动装置如电机或压电陶瓷沿着物镜光轴方向精确移动显微物镜或被测样品，由探测器采集运动装置处于不同位移处时的共焦响应强度，即得到共焦显微镜的共焦响应强度曲线，通过对采集的共焦响应强度曲线数据进行峰值提取等操作处理获取被测样品表面的形貌信息。但是，机械装置的轴向扫描速度和精度都较低，导致共焦显微镜的测量速度慢、测量精度受限。
为了提高传统共焦显微镜的测量速度和测量精度，发明专利CN 109307481 A《高速传感共焦显微测量方法》中精确控制运动装置以较大的采样间隔移动，由探测器得到运动装置处于不同位移处的共焦响应强度，通过对最大强度两侧的强度值做差分处理，快速高精度地获取被测样品的表面形貌。虽然，上述方法能显著降低运动装置的轴向扫描次数，但是仍然需要数次轴向扫描，限制了测量速度和测量精度的进一步提高。发表在《OpticsLetters》上的文献《Locally adaptive thresholding centroid localization inconfocal microscopy》中提出了一种变阈值的峰值提取算法，能对大采样间隔下共焦响应强度曲线数据进行高精度处理，显著地提高了共焦显微测量速度和精度。但是，上述方法与专利 CN 109307481 A的问题类似，即仍需要精密的运转装置扫描，无法进一步提高共焦显微测量速度和精度。发表在《Optics Express》上的文献《Real-time laser differentialconfocal microscopy without sample reflectivity effects》通过使用两个点探测器，其中一个点探测器放置在与点光源共轭位置前一个微小间隔处，另一个点探测器放置于与点光源共轭位置后相等的微小间隔处，通过对两个点探测器采集的共焦响应曲线强度值做差分操作，快速高精度地得到被测样品的表面形貌。但是，在构建共焦显微测量***时，上述方法存在如下不足：其一、单一点探测器与点光源共轭的光路调整过程较为复杂，而上述方法中的双点探测器设计将使得光路调整更加复杂；其二、两个的点探测器沿测量光束光轴方向的位移偏置需要控制在微米量级，对机械装配件的加工精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左右，无法满足纵向大量程复杂曲面微纳结构的形貌测量需求。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种三波长光纤点差分共焦显微探测方法与装置，以降低装置的调节装配难度，同时提高测量速度和测量精度。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：三波长光纤点差分共焦显微探测装置，包括：三波长光源、光纤耦合器、色散物镜和探测模块；
所述三波长光源用于发出包括三个不同波长的照明光束，所述三波长光源的输出端通过照明端光纤与所述光纤耦合器的输入端连接，所述三波长光源发出照明光束经光纤耦合器后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所述色散物镜后沿原光路返回至光纤耦合器，经所述光纤耦合器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I 1、I 2、I 3用于计算得到被测样品表面的位移信息。
所述探测模块包括波长分光装置和探测器；
所述波长分光装置用于将测量光束中的不同波长发送至探测器不同的探测区域，经所述探测器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I 1、I 2、I 3。
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测量光束依次经色散物镜、光纤耦合器、探测端光纤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，各个波长的照明光束分开，然后经所述球面聚焦镜反射后入射到探测器的不同探测区域。
所述探测模块包括准直镜、第一二色分光镜、第二二色分光镜和三个探测单元；所述准直镜用于将从探测端光纤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、第二二色分光镜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、第一分光单元、第二分光单元、三个窄带滤波片和三个探测单元；所述准直镜用于将从探测端光纤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、第二分光单元后分为三束，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和三个探测单元；
或者，所述探测模块为光谱仪。
所述的三波长光纤点差分共焦显微探测装置，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三波长光源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。
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；
所述三波长光源包括第一单波长光纤光源、第二单波长光纤光源、第三单波长光纤光源和光纤合束器，所述第一单波长光纤光源、第二单波长光纤光源、第三单波长光纤光源的输出端与所述光纤合束器连接。
所述的三波长光纤点差分共焦显微探测装置，还包括推进结构，所述推进机构用于沿垂直于测量光束的光轴方向移动被测样品；
或者，所述推进机构用于移动所述探测装置。
本发明还提供了三波长光纤点差分共焦显微探测方法，采用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λ 1、λ 2、λ 3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：将被测样品设置在测量光束的光轴上，测量并记录被测样品在波长λ 1、λ 2、λ 3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，得到被测样品的位移；
S3、沿垂直于测量光束的光轴的方向移动被测样品，重复步骤S2，得到被测样品表面不同位置处沿测量光束光轴方向上的位移信息，从而获得被测样品的形貌信息。
所述第一和第二差分共焦响应值的计算公式为：
dI 21=(I 2–I 1)/(I 2+I 1)，dI 32=(I 3–I 2)/(I 3+I 2)；
或dI 21=(I 2–I 1)，dI 32=(I 3–I 2)；
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，I 1、I 2、I 3分别表示测量装置在波长λ 1、λ 2、λ 3下的单光纤共焦响应强度值。
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，重复步骤S2，得到被测样品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，重复步骤S2，得到被测样品表面不同位置处沿测量光束光轴方向的位移信息，从而获得被测样品的三维形貌信息。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1. 本发明提供了一种三波长光纤点差分共焦显微探测装置和方法，其无需轴向机械扫描就能实现样品的测量，具有结构简单等优点
2.本发明中三波长光纤点差分共焦显微测量技术利用共焦响应曲线中斜率较大的线性区域来替代传统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；
3.本发明只需要普通光电探测器来测量照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的单光纤共焦响应强度值信号，具有信噪比高、测量速度快等优点；
4.本发明利用光纤器件的光纤末端同时当作光纤照明针孔和光纤探测针孔来分别发出照明光束和收集经样品反射的测量光束，能直接实现自对齐共焦，无需光路调整、具有结构简单、等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1中提供的一种三波长光纤点差分共焦显微探测装置的示意图；
图2为本发明实施例1中色散物镜的光路结构图；
图3为本发明实施例2中的波长分光装置和探测器的示意图；
图4为本发明实施例3中的波长分光装置和探测器的示意图；
图5为本发明实施例4提供的三波长光纤点差分共焦显微探测装置的示意图；
图6为本发明实施例5提供的三波长光纤点差分共焦显微探测装置的示意图；
图7为本发明实施例6提供的一种三波长光纤点差分共焦显微探测方法中不同波长下单光纤共焦响应强度值与样品位移之间的关系曲线；
图8为发明实施例6中相邻波长差分共焦响应值与样品位移之间的关系曲线；
其中：1-三波长光源、101-第一单波长光纤光源、102-第二单波长光纤光源、103-第三单波长光纤光源、104-光纤合束器、2-光纤耦合器、201-照明端光纤、202-耦合单元、203-公共端光纤、204-探测端光纤、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-第一二色分光镜、506-第二二色分光镜、507-第一分光镜、508-第二分光镜、509-窄带滤波片、512-波分复用器、513-时分驱动电路、6-探测器、601-探测单元、604-光纤探测单元、7-微处理器。
具体实施方式
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。
实施例1
如图1所示，本发明实施例1提供了一种三波长光纤点差分共焦显微探测装置，包括：三波长光源1、光纤耦合器2、色散物镜3和探测模块。具体地，本实施例中，光纤耦合器2包括照明端光纤201、耦合单元202、公共端光纤203和探测端光纤204。
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与所述耦合单元202的输入端连接，所述三波长关于1发出照明光束经照明端光纤201、耦合单元202、公共端光纤203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后沿原光路返回至公共端光纤203和耦合单元202，经所述耦合单元202后入射至探测端光纤204，经探测端光纤204输出后入射至探测模块，探测模块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I 1、I 2、I 3用于计算得到被测样品4表面的位移信息。
具体地，本实施例中，所述探测模块包括波长分光装置5和探测器6。经探测端光纤204输出的测量光束入射至波长分光装置5，经波长分光装置5后，三个波长的测量光束分别入射到探测器6的不同探测区域，经探测器6测量得到测量装置在三个不同波长下的单光纤共焦响应强度值。也就是说，本实施例中，所述波长分光装置5用于将测量光束中不同波长的光送至探测器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被测样品在波长分别为λ 1、λ 2、λ 3下的单光纤共焦响应强度值I 1、I 2、I 3。
进一步地，本实施例中，如图1所示，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701两侧，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后输出并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。
进一步地，如图1所示，本实施例的一种三波长光纤点差分共焦显微探测装置，还包括微处理器7，本实施例中，微处理器7用于接收探测器的探测信号，即被测样品在波长分别为λ 1、λ 2、λ 3下的单光纤共焦响应强度值I 1、I 2、I 3，并根据单光纤共焦响应强度值I 1、I 2、I 3，计算得到被测样品4表面的位移信息。
进一步地，如图2所示，本实施例中，所述色散物镜3包括依次同轴设置的消色差透镜301（焦距23mm、通光孔径5.2mm）、凹透镜302（焦距-14mm、通光孔径15mm）、、第一凸透镜303（焦距23.8mm、通光孔径25.4mm）、第二凸透镜304（焦距34mm、通光孔径25.4mm）和第三凸透镜305（焦距34mm、通光孔径22mm），色散物镜3的基本工作原理如下：消色差透镜301将三波长点照明光束准直送入凹透镜302进行发散，然后依次经第一凸透镜303、第二凸透镜304、第三凸透镜305后聚焦在光轴OA1上不同位置，如波长λ 1=450nm、λ 2=455nm、λ 3=460nm的光束聚焦在色散物镜光轴16.5mm、16.505mm、16.510mm处。
进一步地，本实施例中，探测器6包括能探测波长λ 1、λ 2、λ 3强度的探测区域。
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。
进一步地，如图1所示，本实施例中，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，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分别发出波长λ 1=450nm、λ 2=455nm、λ 3=460nm的照明光束，三个波长的光束经光纤合束器104后合成一束光，并通过照明端光纤201输出到所述光纤耦合器2。
本实施例的工作原理如下：三波长光源1发出波长λ 1=450nm、λ 2=455nm、λ 3=460nm的照明光束，经照明端光纤201输出到所述光纤耦合器2，然后经公共端光纤203后入射到色散物镜3；色散物镜3将波长λ 1=450nm、λ 2=455nm、λ 3=460nm聚焦在色散物镜光轴16.5mm、16.505mm、16.510mm处；通过色散物镜3的照明光束聚焦形成测量光束，照射在被测样品4的表面上；被测样品4将聚焦在其上的测量光束反射，反射回的光束被色散物镜3收集，然后依次经公共端光纤203、光纤耦合器2后从探测端光纤204输出，并入射至波长分光装置5；波长分光装置5将通过测量光束中不同波长的光聚焦在探测器6的不同区域；探测器6由此得到照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的单光纤共焦响应强度值I 1、I 2、I 3 ；通过对相邻两个照明波长下的单光纤共焦响应强度数据进行差分处理，得到两个相邻波长差分共焦响应值dI 21、dI 32，进而获取被测样品沿测量光束光轴方向的位移信息。当利用运动平台沿垂直于测量光束方向移动三波长光纤点差分共焦显微探测装置或被测样品，获取被测样品表面不同位置处的位移信息，进而重构样品表面轮廓或形貌。
实施例2
本发明实施例2提供了一种三波长光纤点差分共焦显微探测装置，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三波长测量光束的分离。
如图3所示，本实施例中，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601；所述准直镜504用于将探测端光纤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505、第二二色分光镜506后将三个波长的测量光束分开，所述三个探测单元601分别用于探测其中一个波长的测量光束，最终得到照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的单光纤共焦响应强度值I 1、I 2、I 3。
实施例3
本发明实施例3提供了一种三波长光纤点差分共焦显微探测装置，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三波长测量光束的分离。
如图4所示，本实施例中，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509和三个探测单元801；所述准直镜504用于将探测端光纤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，然后每束光分别经一个窄带滤波片509后入射到其中一个探测单元，其中各个窄带滤波片509分别用于滤出其中一个波长，三个探测单元801分别用于探测其中一个波长的测量光束，最终得到照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的单光纤共焦响应强度值I 1、I 2、I 3。
实施例4
本发明实施例4提供了一种三波长光纤点差分共焦显微探测装置，与实施例1不同的是，本实施例中的探测模块的结构不同，其基于波分复用器实现三波长测量光束的分离。
如图5所示，本实施例中，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、光纤合束器104，光纤耦合器2包括照明端光纤201、耦合单元202、公共端光纤203、探测端光纤204，探测器6包括三个光纤探测器604。探测模块包括波分复用器512和三个光纤探测单元604。本实施例中，波分复用器512用于将探测端光纤204输出的测量光束中三个波长分量分别输出到其中一个光纤探测单元604，经光纤探测单元604探测，最终得到照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的单光纤共焦响应强度值I 1、I 2、I 3。微处器7通过对照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的单光纤共焦响应强度值I 1、I 2、I 3进行差分处理得到两个相邻波长差分共焦响应值dI 21、dI 32，进而获取被测样品表面沿测量光束光轴OA1方向的位移信息。
实施例5
本发明实施例5提供了一种三波长光纤点差分共焦显微探测装置，与实施例1不同的是，本实施例中基于时分驱动电路实现三波长单光纤共焦响应强度值的分离。
如图6所示，本实施例中提供的一种三波长光纤点差分共焦显微探测装置，包括三波长光源1、光纤耦合器2、色散物镜3、时分驱动电路513、探测器6和微处理器7。
本实施例的工作原理如下：三波长光源1发出波长λ 1、λ 2、λ 3的照明光束；微处理器7控制时分驱动电路513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三波长光源1中波长为λ 1、λ 2、λ 3的单波长光纤光源101、102、103等子模块供电，在t 1、t 2、t 3时刻，依次发生波长为λ 1、λ 2、λ 3的照明光束，照明光束通过光纤合束器104经照明端光纤201进入光纤耦合器2；光纤耦合器2通过耦合单元202将三波长照明光束送至公共端光纤203出射，出射的光束进入色散物镜3；色散物镜3将由公共端光纤203出射的三波长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；通过色散物镜3的照明光束聚焦形成测量光束，照射在测量样品4表面；被测样品4将测量光束反射，反射光束沿原光路返回，被色散物镜3收集，由公共端光纤203过滤进入光纤耦合器2；光纤耦合器2将反射的测量光束送至探测端光纤204进入光纤探测器604；在t 1、t 2、t 3时刻，光纤探测器604依次探测得到照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的单光纤共焦响应强度值I 1、I 2、I 3；微处器7通过对照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的单光纤共焦响应强度值I 1、I 2、I 3进行差分处理得到两个相邻波长差分共焦响应值dI 21、dI 32，进而获取被测样品表面沿测量光束光轴OA1方向的位移信息。
实施例6
本实施例提供了一种三波长光纤点差分共焦显微探测方法，其基于实施例1~5中任的一种探测装置实现，本实施例中，测量光束方向的位移信息获取有赖于构建两个相邻波长差分共焦响应值dI 21、dI 32与被测样品位移之间的标定关系。由于探测装置中，色散物镜3、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，使得两个相邻波长差分共焦响应值与被测样品位移之间的关系会偏离理论设计，因此需要通过实际测试来精确构建两个相邻波长差分共焦响应值dI 21、dI 32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λ 1、λ 2、λ 3下的单光纤共焦响应强度值，然后对两个相邻波长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。
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z 1=0、z 2=0.1μm、z 3=0.3 μm、…、z M =10μm，并同时由探测器6采集得到不同位移时在照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的单光纤共焦响应强度值I 1、I 2、I 3 ，即照明波长λ 1、λ 2、λ 3下的单光纤共焦响应强度曲线，如图7所示；通过对相同位移时任意相邻波长下的单光纤共焦响应强度值做差分处理，得到两个相邻波长差分共焦响应值dI 21、dI 32与被测样品位移之间的关系曲线，如图8所示，实现两个相邻波长差分共焦响应值dI 21、dI 32与样品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λ 1、λ 2、λ 3下的单光纤共焦响应强度值，然后对两个相邻波长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，得到被测样品的位置；
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，得到被测样品表面5不同位置处沿测量光束光轴方向上的位移信息，从而获得被测样品的形貌信息。
具体地，本实施例中，所述第一和第二相邻波长差分共焦响应值的计算公式为：
dI 21=(I 2–I 1)/(I 2+I 1)，dI 32=(I 3–I 2)/(I 3+I 2)；（1）
或者，所述第一和第二相邻波长差分共焦响应值的计算公式也可以为：
dI 21=(I 2–I 1)，dI 32=(I 3–I 2)；（2）
其中，dI 21和dI 32分别表示第一相邻波长差分共焦响应值和第二相邻波长差分共焦响应值，I 1、I 2、I 3分别表示样品在波长λ 1、λ 2、λ 3下的单光纤共焦响应强度值。
进一步地，本实施例中，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，从而获得被测样品的轮廓和粗糙度信息；
进一步地，本实施例中，所述步骤S3的具体步骤可以为：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，得到被测样品表面4表面不同位置处沿测量光束光轴方向的位移信息，从而获得被测样品的三维形貌信息。
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2个差分共焦响应值；在实施过程中，可以先构建位移与这2个差分共焦响应值的映射关系；在测量的时候，根据映射关系和测量得到的2个差分共焦响应值得到位移值。
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。
Claims (10)
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I 1、I 2、I 3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I 1、I 2、I 3。
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λ 1、λ 2、λ 3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λ 1、λ 2、λ 3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=(I 2–I 1)/(I 2+I 1)，dI 32=(I 3–I 2)/(I 3+I 2)；
或dI 21=(I 2–I 1)，dI 32=(I 3–I 2)；
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，I 1、I 2、I 3分别表示测量装置在波长λ 1、λ 2、λ 3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。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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