專利名稱：基于數(shù)字微鏡光源的并行共焦測量系統(tǒng)及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用于三維形貌檢測的測量系統(tǒng)及測量方法，更具體地說是一種并行 共焦測量系統(tǒng)及其測量方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的并行共焦顯微鏡通常采用Nipkow轉(zhuǎn)盤、微針孔陣列、微光學(xué)器件(如微透 鏡陣列等)實現(xiàn)對光束的分割，從而由單點測量變成多點同時測量，但是這些光學(xué)器件一 旦制成，光源的參數(shù)就固定了，若要改變光源點的分布及尺寸就必須更換光學(xué)器件，這不僅 提高了成本，還限制了并行共焦系統(tǒng)的部分應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供-
-種可以任意改變光源的
形狀、大小，改變光源陣列疏密等參數(shù)，以增強并行共焦測量系統(tǒng)獲取表面信息的能力的基 于數(shù)字微鏡光源的并行共焦測量系統(tǒng)及測量方法。本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明基于數(shù)字微鏡光源的并行共焦測量系統(tǒng)的特點是設(shè)置以DMD微鏡控制系統(tǒng)和DMD芯片構(gòu)成的、可以控制DMD芯片中任一微鏡的偏 轉(zhuǎn)的DMD系統(tǒng)；以所述DMD系統(tǒng)接收準(zhǔn)直光源發(fā)出的準(zhǔn)直光束，并形成投向成像透鏡的準(zhǔn)直 光源反射光，所述準(zhǔn)直光源反射光經(jīng)過成像透鏡后作為測量光源依次經(jīng)過分光鏡和望遠(yuǎn)鏡 系統(tǒng)形成朝向工作臺上的被測物表面投照的測量光，由所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和分光鏡同時構(gòu)成 測量光反射回路，面陣CCD 7經(jīng)測量光反射回路接收來自被測物表面的被測反射光束。本發(fā)明基于數(shù)字微鏡光源的并行共焦測量系統(tǒng)的測量方法為設(shè)系統(tǒng)中準(zhǔn)直光源的波長為\，測量量程為L，系統(tǒng)要求的橫向分辨率為8，系統(tǒng) 的放大率為M, DMD芯片是由mXn個微鏡構(gòu)成的微鏡陣列，每個正方形微鏡的邊長為屯，每 個微鏡在陣列中的位置用表示，其中i和j分別表示該微鏡的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，i = 1， 2，…，m;j = l，2，…，n;那么kXk個微鏡構(gòu)成的點光源大小為kdQXkdQ;其特征是所述測量方法按如下步驟進(jìn)行a、由泰伯間距的公式z = 2d/X，為使系統(tǒng)量程達(dá)到L，則所構(gòu)建的光源周期d = 屯，此時點光源間距& = d/do ；i = l+aNp+aN” …，k+aN!j = l+bNi^+bNi,…，k+bN!b、控制偏轉(zhuǎn)+12°，其中:a = 0,1,2,…，[m/Qc+Ni)]
b = 0,1,2, ...，[n/(k+N,)]其余微鏡偏轉(zhuǎn)-12°，構(gòu)建出預(yù)覽光源；由所述預(yù)覽光源確定點光源對應(yīng)區(qū)域的 正焦面位置；
c、由d2 = 6/M確定光源周期光源點間距N2 = d2/d0 ；i = l+aN2,2+aN2,，k+aN; j = l+bN2，2+bN2，—, k+bN;d、控制du偏轉(zhuǎn)+12°，其中
a = 0,1,2,…，[m/(k+N2)]
b = 0,1,2,…，[n/ (k+N2)]其余微鏡偏轉(zhuǎn)-12°，構(gòu)建出測量光源；在已探知正焦面位置的情況下，用測量光 源進(jìn)行并行共焦測量，得到各采樣點的坐標(biāo)值。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在本發(fā)明利用DMD構(gòu)建了一種柔性的數(shù)字微鏡光源，并將其應(yīng)用于并行共焦測量系 統(tǒng)，可以按照需要，方便、快捷地控制微鏡陣列中每個微鏡的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而構(gòu)建出不同形 狀、任意大小的柔性光源。


圖1為本發(fā)明中用于消除泰伯效應(yīng)對并行共焦測量影響的DMD控制流程圖。圖2測量表面有細(xì)槽的被測物的DMD控制流程圖。圖3為本發(fā)明原理圖。圖中標(biāo)號1準(zhǔn)直光源、2為DMD系統(tǒng)、3成像透鏡、4分光鏡、5望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、6工作 臺、7面陣CCD7。
具體實施例方式參見圖3，本實施例設(shè)置以DMD微鏡控制系統(tǒng)和DMD芯片構(gòu)成的DMD系統(tǒng)2，并行共 焦測量系統(tǒng)中的DMD進(jìn)行工作時，可以將每個微鏡以縱橫坐標(biāo)的形式加以區(qū)分，再通過DMD 微鏡控制系統(tǒng)對每個坐標(biāo)點上的微鏡進(jìn)行編程，分別控制它們的偏轉(zhuǎn)情況。準(zhǔn)直光源發(fā)出 的光束在DMD系統(tǒng)中形成反射，由DMD系統(tǒng)形成的反射光經(jīng)過成像透鏡形成測量所需的光 源，測量所需的光源依次經(jīng)過分光鏡和望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)投照在工作臺上的被測物表面，由所述 被測物將投照在其表面的光束反射至面陣CCD，構(gòu)成并行共焦測量系統(tǒng)。圖3所示，本實施例是以DMD系統(tǒng)2接收準(zhǔn)直光源1發(fā)出的準(zhǔn)直光束，并形成投向 成像透鏡3的準(zhǔn)直光源反射光，準(zhǔn)直光源反射光經(jīng)過成像透鏡3后作為測量光源依次經(jīng)過 分光鏡4和望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)5形成朝向工作臺6上的被測物表面進(jìn)行投照的測量光，由望遠(yuǎn)鏡 系統(tǒng)5和分光鏡4同時構(gòu)成測量光反射回路，面陣CCD 7經(jīng)測量光反射回路接收來自被測 物表面的被測反射光束。DMD芯片是由800X600的微鏡陣列構(gòu)成的光學(xué)器件，其中每個微鏡都有0°、 +12°和-12°三種狀態(tài)，0°時微鏡處于“非工作”狀態(tài)；工作狀態(tài)下，+12°時微鏡將照射 而來的光線反射后形成光源點，-12°時經(jīng)微鏡反射后的光線則被吸收屏吸收，不參與構(gòu)建 光源。本發(fā)明所涉及的DMD微鏡控制系統(tǒng)可以對微鏡陣列中每個坐標(biāo)點上的微鏡進(jìn)行編 程，分別控制它們的偏轉(zhuǎn)情況，這樣就可以控制+12°偏轉(zhuǎn)的微鏡在微鏡陣列中的位置任意 分布，從而形成所需的光源。設(shè)系統(tǒng)中準(zhǔn)直光源的波長為λ，測量量程為L，系統(tǒng)要求的橫向分辨率為5，系統(tǒng)的放大率為M，DMD芯片是由mXn個微鏡構(gòu)成的微鏡陣列，每個正方形微鏡的邊長為屯，每 個微鏡在陣列中的位置用表示，其中i和j分別表示該微鏡的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，i = 1， 2，…，m;j = l，2，…，n;那么kXk個微鏡構(gòu)成的點光源大小為kdQXkdQ;本實施例中的測量方法按如下步驟進(jìn)行a、由泰伯間距的公式z = 2d/X，為使系統(tǒng)量程達(dá)到L，則所構(gòu)建的光源周期d = 屯，此時點光源間距& = d/do ；
i = l+aNp+aN” k+aN: j = l+bNi^+bNi,…，k+bK
x2 — / 1,1 HrtJ ACy LifxP/uj ^/JJUV^h lHJ JJ-n 丄、2 — u2' u0
i = l+aN2,2+aN2,，k+aN2 j = l+bN2，2+bN2，...，k+bN2b、控制屯,」偏轉(zhuǎn)+12°，其中a = 0,1,2, ^/(k+N^]b = 0,1,2, ...，[n/Gc+N!)]其余微鏡偏轉(zhuǎn)-12°，構(gòu)建出預(yù)覽光源；由所述預(yù)覽光源確定點光源對應(yīng)區(qū)域的 正焦面位置；c、由d2 = 6/M確定光源周期光源點間距N2 = d2/d0 ；d、控制屯,」偏轉(zhuǎn)+12°，其中a = 0,1,2, [m/(k+N2)]b = 0,1,2,…，[n/(k+N2)]其余微鏡偏轉(zhuǎn)-12°，構(gòu)建出測量光源；在已探知正焦面位置的情況下，用測量光 源進(jìn)行并行共焦測量，得到各采樣點的坐標(biāo)值。上述測量方法的控制流程如圖1所示，這一測量方法可以消除泰伯效應(yīng)對并行共 焦測量的影響。如果被測物表面有細(xì)槽時，亦可通過該方法測量槽寬及表面其余位置的表面形 貌，測量方法為1、控制屯,」偏轉(zhuǎn)+12°i = l+aN2,2+aN2, Ni+aN；,j = 1,2, ...，na = 0,1,2, [m/饑+隊)]其余微鏡偏轉(zhuǎn)-12°，構(gòu)建粗細(xì)為屯，間距為d2的縱向條紋光源；2、條紋光源照射在細(xì)槽上時，會在槽的邊緣出現(xiàn)兩個折點，計算縱向條紋下的折
點寬度Yi ；
3、控制di,」偏轉(zhuǎn)+12° i = 1,2,…，mj = l+bN4，2+bN4，...，N3+bN4b = 0,1,2,…，[n/(N3+N4)] 其余微鏡偏轉(zhuǎn)-12°，構(gòu)建粗細(xì)為d3，間距為d4的橫向條紋光源
4、計算橫向條紋下的折點寬度y2；
5
5、當(dāng)yi，y2乒0時，
計算細(xì)槽的真實寬度； 而當(dāng)y! = 0 時，y = y2 ；反之，y = yi ；6、由d = 6/M確定光源周期光源點間距N = d/d。；7、控制屯,」偏轉(zhuǎn)+12°，其中i = 1+aN, 2+aN,…，k+aNj = 1+bN, 2+bN, ...，k+bNa = 0,1,2, ...，[m/(k+N)]b = 0,1,2,…，[n/(k+N)]其余微鏡偏轉(zhuǎn)-12°，構(gòu)建了測量光源；8、用測量光源對表面其余位置進(jìn)行并行共焦測量，得到各采樣點的坐標(biāo)值。其控制流程如圖2所示。
權(quán)利要求
基于數(shù)字微鏡光源的并行共焦測量系統(tǒng)，其特征是設(shè)置以DMD微鏡控制系統(tǒng)和DMD芯片構(gòu)成的、可以控制DMD芯片中任一微鏡的偏轉(zhuǎn)的DMD系統(tǒng)(2)；以所述DMD系統(tǒng)(2)接收準(zhǔn)直光源(1)發(fā)出的準(zhǔn)直光束，并形成投向成像透鏡(3)的準(zhǔn)直光源反射光，所述準(zhǔn)直光源反射光經(jīng)過成像透鏡(3)后作為測量光源依次經(jīng)過分光鏡(4)和望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(5)形成朝向工作臺(6)上的被測物表面投照的測量光，由所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(5)和分光鏡(4)同時構(gòu)成測量光反射回路，面陣CCD(7)經(jīng)測量光反射回路接收來自被測物表面的被測反射光束。
2.—種權(quán)利要求1所述基于數(shù)字微鏡光源的并行共焦測量系統(tǒng)的測量方法， 設(shè)系統(tǒng)中準(zhǔn)直光源的波長為入，測量量程為L，系統(tǒng)要求的橫向分辨率為8，系統(tǒng)的放大率為M, DMD芯片是由mXn個微鏡構(gòu)成的微鏡陣列，每個正方形微鏡的邊長為屯，每個微 鏡在陣列中的位置用表示，其中i和j分別表示該微鏡的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，i = 1，2，…， m;j = 1,2,…，n;那么kXk個微鏡構(gòu)成的點光源大小為kc^Xkc^; 其特征是所述測量方法按如下步驟進(jìn)行a、由泰伯間距的公式z= 2d/入，為使系統(tǒng)量程達(dá)到L，則所構(gòu)建的光源周期d =屯，此 時點光源間距= Vdo ；i = l+aNp+aNp …，k+aN! j = l+bNi^+bNi,k+bKb、控制屯,」偏轉(zhuǎn)+12°，其中a = 0,1,2,…，[m/ (k+N:)] b = 0,1,2, ...，[n/ (k+N:)] 其余微鏡偏轉(zhuǎn)-12°，構(gòu)建出預(yù)覽光源；由所述預(yù)覽光源確定點光源對應(yīng)區(qū)域的正焦 面位置；c、由d2= 6/M確定光源周期光源點間距N2 = d2/d0 ；i = l+aN2,2+aN2, k+aN2d、控制屯,」偏轉(zhuǎn)+12°，其中j= l+bN2，2+bN2，...，k+bN2a = 0,1,2,…，[m/ (k+N2)] b = 0,1,2,…，[n/ (k+N2)] 其余微鏡偏轉(zhuǎn)-12°，構(gòu)建出測量光源；在已探知正焦面位置的情況下，用測量光源進(jìn) 行并行共焦測量，得到各采樣點的坐標(biāo)值。
全文摘要
本發(fā)明基于數(shù)字微鏡光源的并行共焦測量系統(tǒng)及測量方法，其特征是設(shè)置以DMD微鏡控制系統(tǒng)和DMD芯片構(gòu)成的、可以控制DMD芯片中任一微鏡的偏轉(zhuǎn)的DMD系統(tǒng)；準(zhǔn)直光源發(fā)出的光束在所述DMD系統(tǒng)中形成反射，由DMD系統(tǒng)形成的反射光經(jīng)過成像透鏡形成測量所需的光源，測量所需的光源依次經(jīng)過分光鏡和望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)投照在工作臺上的被測物表面，由被測物將投照在其表面的光束反射至面陣CCD，構(gòu)成并行共焦測量系統(tǒng)。本發(fā)明利用DMD構(gòu)建了一種柔性的數(shù)字微鏡光源，并將其應(yīng)用于并行共焦測量系統(tǒng)，可以按照需要，方便、快捷地控制微鏡陣列中每個微鏡的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而構(gòu)建出不同形狀、任意大小的柔性光源。
文檔編號G01B11/24GK101858727SQ20101016519
公開日2010年10月13日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者余卿, 余曉芬 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)