基于光谱二维横向编码的共焦位移传感器系统

本发明属于共聚焦显微镜，具体涉及一种基于光谱二维横向编码的共焦位移传感器系统。

背景技术：

1、共聚焦显微镜作为一种高分辨率光学显微技术，在材料科学、生物医学、半导体制造等领域被广泛应用。共聚焦显微镜主要是通过点光源和针孔技术提高图像的分辨率和对比度。由于它能够对样品进行光学切片，因此传统共聚焦显微镜被广泛用于三维结构的重建和表面形貌的测量工作。

2、传统共聚焦显微镜通过在多个位置取样实现表面形貌的测量。在针对表面小缺陷时，测量表面梯度的方法是比较出色的。但要同时实现样品的位置和倾角的同时测量，共聚焦显微镜是通过配备额外测量单元，通过位置敏感探测器测量后反射光束的横向位移，以获取表面倾斜信息。上述方法的主要缺点是测量时间较长、测量精度较低，难以满足复杂表面形貌样品位置和倾斜角度的同时测量需求。

技术实现思路

1、本发明要解决现有技术中传统共聚焦显微镜技术因测量时间长及测量精度低难以满足复杂表面形貌样品位置和倾斜角度的同时测量需求的技术问题，提供一种基于光谱二维横向编码的共焦位移传感器系统。本发明通过在共焦系统中引入光谱二维横向编码技术，能够在保持高分辨率和测量精度的同时，大幅提升数据采集速度，实现对表面形貌与倾斜角度的同步测量。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

3、一种基于光谱二维横向编码的共焦位移传感器系统，在光路方向上依次包括：第一分束器，第二分束器，物镜驱动器；

4、所述第一分束器还连接有横向系统和纵向系统，所述横向系统和纵向系统呈90°设置，所述横向系统连接第一超连续谱激光器，所述纵向系统连接第二超连续谱激光器；

5、所述横向系统和纵向系统，分别在光路方向上依次包括：第一激光器接口、消色差透镜对和棱镜对；

6、所述第二分束器还分别连接有用于查看光谱的cmos和聚焦透镜，所述聚焦透镜还依次连接有第二激光器接口和光纤耦合光谱仪；

7、所述第一超连续谱激光器输出准直高斯光束，该光束通过第一激光器接口输入，输入光束通过消色差透镜对进行扩展，扩展后光束通过棱镜对后以横向输入到第一分束器内；

8、同时，第二超连续谱激光器输出准直高斯光束，该光束通过第一激光器接口输入，输入光束通过消色差透镜对进行扩展，扩展后光束通过棱镜对后以纵向输入到第一分束器内；

9、调整共焦位移传感器系统，使输入到第一分束器内的横向光束和纵向光束位于光轴上，使两光束在横向与纵向上呈中心对称；调整后的光束通过第二分束器与物镜驱动器到达样品上；最后，经过样品反射后的反射光通过聚焦透镜聚焦后被与第二激光器接口连接的光纤耦合光谱仪接收，所述光纤耦合光谱仪将反射光聚焦到光纤中，分析反射光的光谱分布；对于每个位置，横向与纵向上均有单独的响应，每个响应通过标定都会有其倾斜角度对应的不同波长强度位置。

10、在上述技术方案中，所述消色差透镜对是由16毫米焦距的消色差透镜和60毫米焦距的消色差透镜组成。

11、在上述技术方案中，所述棱镜对是由两个设置为45°的棱镜排列成的一个色散补偿变形棱镜对。

12、在上述技术方案中，所述第一超连续谱激光器输出的光束波长范围为400-550nm。

13、在上述技术方案中，所述第二超连续谱激光器输出的光束波长范围为600-750nm。

14、在上述技术方案中，所述第一超连续谱激光器和第二超连续谱激光器具有声光可调滤波器模块。

15、在上述技术方案中，所述第一超连续谱激光器输出的光束波长范围为400-550nm，在该波长范围内第一超连续谱激光器以15nm的步长，一共分为8个波长，通过光纤输出直径为1mm的准直高斯光束；该光束通过由16毫米焦距的消色差透镜和60毫米焦距的消色差透镜组成的消色差透镜对作为光束扩展器，将光束扩展到直径为3.75毫米；扩展后光束通过由两个设置为45°的棱镜排列成的一个色散补偿变形棱镜对进行变形，其中一个棱镜将光束分散成八个以不同角度出现的独立光束，另一个棱镜补偿光束的色散，使光束再次平行于光轴偏转，最后输出横向分离的八个偏心且平行的光束；

16、第二超连续谱激光器输出的光束波长范围为600-750nm，在该波长范围内，重复上述步骤，输出纵向分离的八个偏心且平行的光束；

17、通过调整共焦位移传感器系统，使横向与纵向输入的波长中值465 nm与 665nm光束位于光轴上，使其在横向与纵向上呈中心对称；调整后的光束通过第二分束器与物镜驱动器到达样品上；最后，通过光纤耦合光谱仪将反射光聚焦到25μm光纤中，分析反射光的光谱分布；

18、对于每个位置，横向与纵向均有8个单独的响应，每个响应通过标定都会有其倾斜角度对应的不同波长强度位置；横向倾斜角度为，纵向倾斜角度为，表达式分别如下：

19、 （6）；

20、 （7）；

21、其中，为各个波长的强度。

22、本发明的有益效果是：

23、本发明的基于光谱二维横向编码的共焦位移传感器系统，通过在共焦系统中引入光谱二维横向编码技术，即通过设置与分束器连接的两个呈90º设置的横向系统和纵向系统，获得横向和纵向上的响应，使两部分输入的光束呈现十字交叉的方式进入分束器，每个响应通过标定都会有其倾斜角度对应的不同波长强度位置，能够在保持高分辨率和测量精度的同时，大幅提升数据采集速度，实现对表面形貌与倾斜角度的同步测量。

24、本发明的基于光谱二维横向编码的共焦位移传感器系统，采用光谱二维横向编码技术，解决了共焦显微镜对表面形貌测量精度低和测量速度慢的问题，本发明首先利用几何光学原理，通过对反射光进行角度分析，建立预测系统对不同表面倾斜度的响应模型，减少了光强的能量损失，得出不同表面倾斜角度与反射光的强度的关系；在这样的理论基础下本发明提出了基于光谱二维横向编码的共焦位移传感器系统，通过光谱二维横向编码技术，提高了共焦显微镜测量表面形貌的测量精度，加快了测量速度，提高了系统的稳定性。

25、本发明的基于光谱二维横向编码的共焦位移传感器系统，针对同时测量表面位置和倾斜的问题，同时为了提高测量精度与缩短测量时间，提出了一种通过光谱二维横向编码的方式，对光学系统的孔径进行编码，同时对反射光进行角度分析，提高测量精度与缩短测量时间。

技术特征：

1.一种基于光谱二维横向编码的共焦位移传感器系统，其特征在于，在光路方向上依次包括：第一分束器（4），第二分束器（6），物镜驱动器（8）；

2.根据权利要求1所述的共焦位移传感器系统，其特征在于，所述消色差透镜对（2）是由16毫米焦距的消色差透镜和60毫米焦距的消色差透镜组成。

3.根据权利要求1所述的共焦位移传感器系统，其特征在于，所述棱镜对（3）是由两个设置为45°的棱镜排列成的一个色散补偿变形棱镜对。

4.根据权利要求1所述的共焦位移传感器系统，其特征在于，所述第一超连续谱激光器（11）输出的光束波长范围为400-550nm。

5.根据权利要求1所述的共焦位移传感器系统，其特征在于，所述第二超连续谱激光器（12）输出的光束波长范围为600-750nm。

6.根据权利要求1所述的共焦位移传感器系统，其特征在于，所述第一超连续谱激光器（11）和第二超连续谱激光器（12）具有声光可调滤波器模块。

7.根据权利要求1所述的共焦位移传感器系统，其特征在于，所述第一超连续谱激光器（11）输出的光束波长范围为400-550nm，在该波长范围内第一超连续谱激光器（11）以15 nm的步长，一共分为8个波长，通过光纤输出直径为1mm的准直高斯光束；该光束通过由16毫米焦距的消色差透镜和60毫米焦距的消色差透镜组成的消色差透镜对（2）作为光束扩展器，将光束扩展到直径为3.75毫米；扩展后光束通过由两个设置为45°的棱镜排列成的一个色散补偿变形棱镜对（3）进行变形，其中一个棱镜将光束分散成八个以不同角度出现的独立光束，另一个棱镜补偿光束的色散，使光束再次平行于光轴偏转，最后输出横向分离的八个偏心且平行的光束；

技术总结本发明涉及一种基于光谱二维横向编码的共焦位移传感器系统，属于共聚焦显微镜技术领域。本发明的系统包括：第一分束器，第二分束器，物镜驱动器；第一分束器还连接有两个呈90°设置的横向和纵向系统，横向系统连接第一超连续谱激光器，纵向系统连接第二超连续谱激光器；横向和纵向系统分别在光路方向上依次包括：第一激光器接口、消色差透镜对和棱镜对；第二分束器还分别连接有CMOS和聚焦透镜，聚焦透镜还依次连接有第二激光器接口和光纤耦合光谱仪。本发明通过在共焦系统中引入光谱二维横向编码技术，能够在保持高分辨率和测量精度的同时，大幅提升数据采集速度，实现对表面形貌与倾斜角度的同步测量。技术研发人员：王建立,王之一,冯晓鹏,糜小涛,李烁,高胜英,江思博,周敬萱受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/11/4