基于微球辅助的差动干涉共焦位移测量系统及测量方法

本发明属于光学检测，尤其涉及一种基于微球辅助的差动干涉共焦位移测量系统及测量方法。

背景技术：

1、在现代精密测量技术中，三维表面形貌的获取显得尤为重要，广泛应用于微型电子元件的制造与检测领域以及生物医学领域的组织结构分析。传统的三维测量方法，如触针式轮廓仪，虽然能够提供一定程度的测量精度，但由于采用接触性的测量方式，常常会对样品造成损害，尤其在测量复杂表面或软材料时，难以获得准确结果。因此，非接触式光学测量技术逐渐成为研究的热点。

2、共焦显微镜作为一种重要的非接触式测量工具，以其在高轴向分辨率和高横向分辨率方面的卓越性能，已成为高精度表面轮廓测量的优选方案。通过限制检测光束的焦点范围，共焦显微镜能有效降低背景光的干扰，从而显著提高图像的信噪比，实现对样品的高精度成像。尽管共焦显微镜在分辨率上表现突出，其成像速度受到机械扫描的制约，特别是在快速测量场景中，这一问题显著影响了测量效率。

3、为了克服这一局限性，差动共焦显微镜应运而生，差动共焦显微镜通过分别检测不同焦距的光束，利用信号差异提高深度分辨率。这不仅保持了传统共焦显微镜的高分辨率优势，还在一定程度上加快了测量速度，扩大了其在高精度与高速测量应用中的潜力。但干涉差动共焦显微镜在横向分辨率上的提升依然有限，横向分辨率仍主要受限于光学系统的数值孔径和焦点尺寸的大小。尽管一些改进措施，如使用更先进的光学元件和更精确的扫描平台，可以在一定程度上提高横向分辨率，但这些方法往往伴随更高的技术难度和成本。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明创造旨在提供一种基于微球辅助的差动干涉共焦位移测量系统及测量方法，以解决传统的差动共焦显微镜提高横向分辨率难度大、成本高的问题。

2、为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

3、一种基于微球辅助的差动干涉共焦位移测量系统，包括激光光源、测试平台、光学探测结构、分束结构、第一偏振分光结构、第二偏振分光结构、焦前探测单元、焦后探测单元和信号处理单元；

4、测试平台用于放置样品，样品的表面均匀附着透明微球，透明微球用于增大样品在成像时的放大倍数；

5、激光光源用于输出线偏振光；

6、光学探测结构包括第一偏振分光棱镜、参考平面镜、物镜和物镜驱动器，物镜驱动器用于驱动物镜沿轴向和横向移动，线偏振光经第一偏振分光棱镜变为s偏振光和p偏振光，s偏振光作为参考光经参考平面镜反射后返回第一偏振分光棱镜，p偏振光作为测量光经物镜、透明微球后入射至样品，再经样品反射后返回第一偏振分光棱镜；

7、分束结构用于将合束后的s偏振光和p偏振光分别变为圆偏振光且每束圆偏振光被分成两束；

8、第一偏振分光结构用于对两束圆偏振光进行分束，产生相位为0°、180°的两路干涉信号；

9、焦前探测单元用于接收相位为0°、180°的两路干涉信号，在光电转换后传输至信号处理单元；

10、第二偏振分光结构用于对另外两束圆偏振光进行分束，产生相位为90°、270°的两路干涉信号；

11、焦后探测单元用于接收相位为90°、270°的两路干涉信号，在光电转换后传输至信号处理单元；

12、信号处理单元用于对相位为0°、90°、180°、270°的四路干涉信号进行计算，获得样品的表面高度。

13、进一步的，分束结构包括第一1/4波片和分束器，合束后的s偏振光和p偏振光经第一1/4波片分别变为左旋圆偏振光和右左旋圆偏振光，左旋圆偏振光经分束器分束为第一左旋圆偏振光和第二左旋圆偏振光，右左旋圆偏振光经分束器分束为第一右左旋圆偏振光和第二右左旋圆偏振光，第一左旋圆偏振光与第一右左旋圆偏振光入射至第一偏振分光结构，第二左旋圆偏振光与第二右左旋圆偏振光入射至第二偏振分光结构。

14、进一步的，第一偏振分光结构为第二偏振分光棱镜，第一左旋圆偏振光分束与第一右左旋圆偏振光经第二偏振分光棱镜分别变为s偏振光和p偏振光，两束s偏振光和两束p偏振光产生相位为0°、180°的两路干涉信号。

15、进一步的，焦前探测单元包括第一聚焦透镜、第一针孔、第一探测器、第二聚焦透镜、第二针孔和第二探测器，一束s偏振光和一束p偏振光经第一聚焦透镜聚焦并穿过第一针孔后被第一探测器接收，经光电转换后产生相位为0°的干涉信号，另一束s偏振光和另一束p偏振光经第二聚焦透镜聚焦并穿过第二针孔后被第二探测器接收，经光电转换后产生相位为180°的干涉信号。

16、进一步的，第二偏振分光结构包括第二1/4波片和第三偏振分光棱镜，第二左旋圆偏振光与第二右左旋圆偏振光经第二1/4波片变为线偏振光，两束线偏振光经第三偏振分光棱镜分别变为s偏振光和p偏振光，两束s偏振光和两束p偏振光产生相位为90°、270°的两路干涉信号。

17、进一步的，焦后探测单元包括第三聚焦透镜、第三针孔、第三探测器、第四聚焦透镜、第四针孔和第四探测器，一束s偏振光和一束p偏振光经第三聚焦透镜聚焦并穿过第三针孔后被第三探测器接收，经光电转换后产生相位为90°的干涉信号，另一束s偏振光和另一束p偏振光经第四聚焦透镜聚焦并穿过第四针孔后被第四探测器接收，经光电转换后产生相位为270°的干涉信号。

18、进一步的，信号处理单元包括相位提取模块、相位解包裹模块和表面高度计算模块，相位提取模块根据下式提取包裹相位：

19、

20、其中，与分别为焦后干涉调制强度与焦前干涉调制强度，、、、分别为相位为0°、90°、180°、270°的四幅干涉图像中干涉条纹的光强；

21、相位解包裹模块根据下式对包裹相位进行解包裹，获得解包裹相位：

22、

23、

24、其中，和分别为包裹相位沿样品横向与纵向的梯度，为拉普拉斯算子，为包裹相位中位于点的相位值，为包裹相位中位于点的相位值；

25、表面高度计算模块通过下式计算样品的表面高度：

26、

27、其中，为样品对应位置处的波长。

28、一种利用上述的基于微球辅助的差动干涉共焦位移测量系统实现的基于微球辅助的差动干涉共焦位移测量系统实现，其特征在于，包括如下步骤：

29、s1：激光光源输出的线偏振光经第一偏振分光棱镜变为s偏振光和p偏振光，s偏振光作为参考光经参考平面镜反射后返回第一偏振分光棱镜，p偏振光作为测量光经物镜、透明微球后入射至样品，再经样品反射后返回第一偏振分光棱镜，合束后的s偏振光和p偏振光经分束结构变为圆偏振光且每束圆偏振光被分成两束，两束圆偏振光经第一偏振分光结构分束后产生相位为0°、180°的两路干涉信号被焦前探测单元接收，另外两束圆偏振光经第二偏振分光结构分束后产生相位为90°、270°的两路干涉信号，被焦后探测单元接收；

30、s2：焦前探测单元与焦后探测单元将接收到的干涉信号转换为电信号后传输至信号处理单元，通过信号处理单元对相位为0°、90°、180°、270°的四路干涉信号进行计算，获得样品的表面高度；

31、s3：控制物镜驱动器驱动物镜沿横向移动对样品进行横向扫描，通过图像拼接获得样品的二维图像；

32、s4：控制物镜驱动器驱动物镜沿轴向移动对样品进行轴向扫描，垂直叠加横向扫描的二维图像，获得样品的三维图像。

33、进一步的，信号处理单元根据四路干涉信号计算样品表面高度的过程为：

34、s201：根据四幅干涉图像提取包裹相位：

35、

36、其中，与分别为焦后干涉调制强度与焦前干涉调制强度，、、、分别为相位为0°、90°、180°、270°的四幅干涉图像中干涉条纹的光强，为提取的包裹相位；

37、s202：对提取的包裹相位进行解包裹，获得解包裹相位：

38、

39、

40、其中，和分别为包裹相位沿样品横向与纵向的梯度，为拉普拉斯算子，为包裹相位中位于点的相位值，为包裹相位中位于点的相位值；

41、s203：将解包裹相位转换为样品的表面高度：

42、

43、其中，为样品的表面高度，为样品对应位置处的波长。

44、进一步的，在获得样品的二维图像之后，还包括如下步骤：

45、s310：采用高斯滤波算法对样品的二维图像进行噪声滤除；

46、s320：采用平面三点校正法对二维图像进行倾斜校正；其中，步骤s320具体包括如下步骤：

47、s321：选取二维图像上的三个坐标点、、，带入平面方程得到平面的法线向量系数、、，再根据平面的法线向量系数、、拟合得到拟合平面：

48、

49、

50、其中，、、为拟合平面的任意一点的坐标；

51、s322：将二维图像中四个角的坐标点带入拟合平面，求取四个坐标点中表面高度的最小值，以最小值所在的平面作为标准平面；

52、s323：再将步骤s203计算得到的样品的表面高度减去高度差获得校正后的高度值。

53、与现有技术相比，本发明创造能够取得如下有益效果：

54、1.在样品的表面附着透明微球，通过微球提高样品的放大倍数，从而提升差动干涉共焦位移测量系统的横向分辨率，该方案实施简单，且成本较低。

55、2.通过高斯滤波能够有效滤除二维图像的高斯噪声，便于后续的图像校正。

56、3.采用平面三点校正法对二维图像中样品的高度进行倾斜校正，以提高测量精度。

57、4.采用偏振光进行差动干涉探测，能够抑制背景噪声，提高空间分辨率。