無刀口后焦偏置的偏心光束法主動(dòng)離焦量探測(cè)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及顯微鏡對(duì)焦技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種用于顯微成像和測(cè)量的無刀口后焦偏置的偏心光束主動(dòng)離焦量探測(cè)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前顯微鏡對(duì)焦方法主要分為主動(dòng)對(duì)焦和被動(dòng)對(duì)焦方法。偏心光束法離焦量探測(cè)是激光三角法測(cè)量的一種具體形式，具有結(jié)構(gòu)廉價(jià)、計(jì)算簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在表面微觀檢測(cè)、非接觸測(cè)量都有著廣泛應(yīng)用。但是，目前的偏心光束法離焦量探測(cè)光路都是采用刀口將圓形光束遮擋成半圓形光束的方式區(qū)分正離焦和負(fù)離焦?fàn)顟B(tài)，通過半圓探測(cè)光斑的偏心方向確定離焦方向，通過光斑的大小確定離焦量大小。其缺點(diǎn)包括:當(dāng)離焦量趨近于零時(shí)激光光束衍射嚴(yán)重，難以形成理論上的點(diǎn)斑，嚴(yán)重影響了正對(duì)焦位置附近的離焦量探測(cè)精度；此夕卜，半圓探測(cè)光斑容易出現(xiàn)刀口衍射、光斑變形等問題，光路加工調(diào)校精度要求很高且離焦量探測(cè)精度和可靠性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對(duì)偏心光束法離焦量探測(cè)技術(shù)中存在的不足，提供了一種無刀口后焦偏置的偏心光束主動(dòng)離焦量探測(cè)裝置及方法。該裝置去掉了遮擋探測(cè)光束的刀口，探測(cè)光斑將變?yōu)閳A形，不會(huì)出現(xiàn)刀口衍射，并且光斑變形對(duì)離焦量探測(cè)的影響會(huì)得到明顯改善；通過離焦量探測(cè)光路的后焦偏置，成像光路在正對(duì)焦?fàn)顟B(tài)下圓形探測(cè)光斑仍會(huì)保持一定尺寸，光斑受衍射影響不明顯，將極大地改善正對(duì)焦位置附近的探測(cè)精度。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0005]一種無刀口后焦偏置的偏心光束法主動(dòng)離焦量探測(cè)裝置，其特征在于，包括激光器、光束整形透鏡組、半透半反鏡1、半透半反鏡11、帶通濾光鏡1、透鏡組I以及離焦量探測(cè)CCD ;其中:
[0006]所述激光器作為近紅外光源，用于輸出離焦量探測(cè)光束；
[0007]所述光束整形透鏡組主要由共焦透鏡組組成，所述離焦量探測(cè)光束通過光束整形透鏡組進(jìn)行整形、擴(kuò)束、準(zhǔn)直，形成圓形探測(cè)光束；
[0008]所述圓形探測(cè)光束依次經(jīng)過半透半反鏡I和半透半反鏡II后進(jìn)入物鏡，并在樣本表面照射后形成探測(cè)光斑并返回；
[0009]所述探測(cè)光斑經(jīng)過依次經(jīng)半透半反鏡I1、半透半反鏡1、帶通濾光鏡1、透鏡組I后在離焦量探測(cè)CCD上成像，形成離焦量探測(cè)光斑圖像。
[0010]探測(cè)光束不存在刀口遮擋，其離焦量探測(cè)光斑為圓形。
[0011]離焦量探測(cè)CCD進(jìn)行了后焦偏置，即離焦量探測(cè)CCD的靶面與透鏡組I的后焦面平行，并向遠(yuǎn)離或靠近透鏡組I一側(cè)偏置。
[0012]當(dāng)樣本處于正對(duì)焦位置，顯微視野下的樣本表面經(jīng)半透半反鏡I1、低通濾光鏡II和透鏡組II，在成像CCD上清晰成像時(shí)，離焦量探測(cè)CCD上的圓形光斑圖像仍保持一定半徑。
[0013]優(yōu)選地，經(jīng)過半透半反鏡I和半透半反鏡II的修正后光束與物鏡光軸平行。
[0014]優(yōu)選地，所述離焦量探測(cè)CCD進(jìn)行后焦偏置，通常為即離焦量探測(cè)CCD的靶面與透鏡組I的后焦面平行，并向遠(yuǎn)離透鏡組I 一側(cè)偏置。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種無刀口后焦偏置的偏心光束法主動(dòng)離焦量探測(cè)方法，采用上述無刀口后焦偏置的偏心光束法主動(dòng)離焦量探測(cè)裝置，根據(jù)圓形離焦量探測(cè)光斑的面積計(jì)算光斑半徑，并通過光斑半徑和離焦量的標(biāo)定實(shí)現(xiàn)離焦量的探測(cè)。
[0016]優(yōu)選地，所述無刀口后焦偏置的偏心光束法主動(dòng)離焦量探測(cè)方法，具體包括如下步驟:
[0017](I)圓形離焦量探測(cè)光斑的圖像經(jīng)過中值濾波降噪、最大類間差二值化處理后，提取圓形的主體光斑(以下簡(jiǎn)稱主體圓斑)；
[0018](2)通過圖像連通域標(biāo)記法剔除離焦量探測(cè)光斑的主體圓斑外的無意義分割小區(qū)域，保留主體圓斑大面積連通域，并通過曲率半徑穩(wěn)定性判別和多點(diǎn)圓弧插補(bǔ)剔除主體圓斑的邊緣畸變凹凸；
[0019](3)通過橫向填充和縱向填充消除主體圓斑上的漏洞和暗環(huán)；
[0020](4)通過主體圓斑的像素個(gè)數(shù)作為圓斑面積計(jì)算主體圓斑的半徑，并以主體圓斑的半徑為輸入進(jìn)行離焦量(輸出)標(biāo)定。
[0021]本發(fā)明提供的無刀口后焦偏置的偏心光束法主動(dòng)離焦量探測(cè)裝置及方法，激光器通常采用紅外激光和圓形光斑輸出；光束整形透鏡組將激光器發(fā)出的圓形激光光束進(jìn)行擴(kuò)束整形，進(jìn)而優(yōu)化探測(cè)光斑的形狀和質(zhì)量；由于不存在刀口遮擋，離焦量探測(cè)光斑為近似圓形光斑；離焦量探測(cè)CCD進(jìn)行了后焦偏置，即離焦量探測(cè)CCD靶面與透鏡組I的后焦面平行，但不在同一個(gè)平面，通常選擇離焦量探測(cè)CCD靶面在透鏡組I的后焦面遠(yuǎn)離透鏡組I的一側(cè)；調(diào)節(jié)透鏡組I的參數(shù)可以控制離焦量探測(cè)的靈敏度，改變后焦偏置的距離可以控制離焦量探測(cè)的線性范圍；離焦量探測(cè)光斑圖像經(jīng)過降噪、圖像二值化處理、光斑形變修復(fù)和光斑空洞填充等處理，進(jìn)一步提高光斑的圓整度和完整度，提升光斑半徑的計(jì)算精度；畸變邊緣修復(fù)以探測(cè)光斑為理想圓形光斑為假想的光斑邊緣整形，包括離散孤島消除，邊緣過渡平滑等步驟，主要目標(biāo)是去除主體圓斑外孤島和圓斑邊緣畸變凹凸。光斑空洞填充以探測(cè)光斑為理想圓形光斑為假想的光斑內(nèi)部缺損填充，主要目標(biāo)是消除由樣本表面缺陷和光路干涉、以及降噪和二值化處理，所導(dǎo)致光斑漏洞和暗環(huán)。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0023]1、去掉刀口后探測(cè)光斑將變?yōu)閳A形，不會(huì)出現(xiàn)刀口衍射，并且光斑變形對(duì)離焦量探測(cè)的影響會(huì)得到明顯改善；
[0024]2、通過離焦量探測(cè)光路的后焦偏置，成像光路在正對(duì)焦?fàn)顟B(tài)下探測(cè)光斑仍會(huì)保持一定尺寸，光斑衍射影響不明顯，將極大地改善正對(duì)焦位置附近的探測(cè)精度。
【附圖說明】
[0025]通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0026]圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理圖。
[0027]圖2是離焦量探測(cè)光斑的原始圖像和預(yù)處理后提取的主體圓斑；圖中，(a)為離焦量探測(cè)光斑原始圖像，(b)為預(yù)處理后主體圓斑。
[0028]圖中:1為樣本，2為物鏡，3為半透半反鏡I，4為半透半反鏡II，5為光束整形透鏡組，6為帶通濾光鏡I，7為低通濾光鏡II，8為透鏡組I，9為透鏡組II，10為離焦量探測(cè)(XD，11為成像(XD，12為激光器，A為離焦量探測(cè)模塊，B為光斑暗環(huán)，C為光斑漏洞，D為邊緣畸變。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明:本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0030]實(shí)施例
[0031]本實(shí)施例提供了一種無刀口后焦偏置的偏心光束法主動(dòng)離焦量探測(cè)裝置，包括激光器、光束整形透鏡組、半透半反鏡1、半透半反鏡11、帶通濾光鏡1、透鏡組I以及離焦量探測(cè) CO)(Charge-coupled Device，圖像傳感器);其中:
[0032]所述激光器為830nm紅外激光光源，用于輸出離焦量探測(cè)光束；
[0033]所述光束整形透鏡組主要由共焦透鏡組組成，所述離焦量探測(cè)光束通過光束整形透鏡組進(jìn)行整形、擴(kuò)束、準(zhǔn)直，形成高質(zhì)量的圓形探測(cè)光束；
[0034]所述圓形探測(cè)光束依次經(jīng)過半透半反鏡I和半透半反鏡II后進(jìn)入物鏡，并在樣本表面照射后形成探測(cè)光斑并返回；
[0035]所述探測(cè)光斑經(jīng)過依次經(jīng)半透半反鏡I1、半透半反鏡1、帶通濾光鏡1、透鏡組I后在離焦量探測(cè)CCD上成像，形成理論上為圓形的離焦量探測(cè)光斑圖像；
[0036]所述離焦量探測(cè)CCD進(jìn)行了后焦偏置，即離焦量探測(cè)CCD的靶面與透鏡組I的后焦面平行，并向遠(yuǎn)離透鏡組I 一側(cè)偏置；當(dāng)樣本處于正對(duì)焦位置，顯微視野下的樣本表面經(jīng)半透半反鏡I1、低通濾光鏡II和透鏡組II