基于自混合干涉的共焦點激光顯微鏡及其掃描方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及共焦點激光顯微鏡領(lǐng)域，尤其涉及了一種基于自混合干涉的共焦點激 光顯微鏡及其掃描方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自混合干涉技術(shù)的研宄起始于20世紀60年代，它是指入射在外表面的光被部分 反饋，并耦合至內(nèi)激光腔。反饋注入的激光和激光腔內(nèi)的光混合，改變了激光器的輸出特 性，如引起光譜和光強的變化，形成自混合效應(yīng)。從20世紀80年代開始將激光自混合干涉 原理應(yīng)用于測量領(lǐng)域，90年代后期國內(nèi)學(xué)者開始關(guān)注參與自混合理論與應(yīng)用的研宄。相比 傳統(tǒng)的干涉測量技術(shù)，自混合干涉同傳統(tǒng)干涉有相同的靈敏度，而由于其具有結(jié)構(gòu)簡單緊 湊易準直等特點，使得其可以在很多應(yīng)用場合取代傳統(tǒng)干涉儀。自混合干涉不依賴于光源 的相干長度，和傳統(tǒng)干涉儀相比這是自混合干涉的一個驚人特點，并且自混合干涉技術(shù)能 對目標物體的運動方向進行識別。在光纖耦合的系統(tǒng)中自混合干涉現(xiàn)象不受光纖是單?；?者多模影響，使光路更易準直。
[0003] 共焦點顯微鏡的原理最早是1953年由美國學(xué)者馬文明斯提出，其后隨著激光技 術(shù)的不斷成熟，共焦點激光顯微鏡技術(shù)在80年代得到了廣泛應(yīng)用。共焦原理是指從一個點 光源發(fā)射出的探測光通過透鏡聚焦到被測物體上，當物體恰好位于焦點上時，反射光線通 過原透鏡后應(yīng)當匯聚于光源上。在實際應(yīng)用中，反射光路上使用了分束器，將已經(jīng)通過透鏡 的反射光折向其他方向，并將針孔放在折射光的聚焦處，在針孔后部用光電倍增管進行信 號收集。
[0004] 圖1為反射式共焦點激光顯微鏡光路圖，包括光源1-A、物鏡2-A、集光鏡5-A、分 束器3-A、目標4-A、針孔7-A和光電探測器6-A。假設(shè)被測目標4-A是一個全反射體，沿著 物鏡2-A的軸對其進行掃描，當該物體在焦面時，反射光束被精確地聚焦在光電探測器6-A 上，此時光電探測器6-A接收到大量的入射光能量。若反射鏡從焦面上離開，則反射光被聚 焦在光電探測器6-A前面或者后面的某個位置上，這要依據(jù)掃描方向而定，此時光電探測 器6-A僅僅收集到一小部分能量，即離焦信號比焦點上的信號弱。該性質(zhì)意味著反射物的 位置能夠確定，而且只有當反射物體位于焦面上時，其有效的反射像才被有效地記錄下來。 對于實在的厚物體首先記錄一系列不同縱向深度的截面像，再利用這些截面像來重構(gòu)厚物 體完整的像。因此這種共焦系統(tǒng)的優(yōu)點是：（1)縱向深度的分辨能力強；（2)針孔掩?？梢?大大減少噪聲干擾。但這種共焦系統(tǒng)也存在光路敏感調(diào)整難度大的缺點。目前共焦點顯微 鏡被廣泛的應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)及機械測量等領(lǐng)域，但共焦點顯微鏡自身存在一定的缺點：第 一所需光學(xué)元件較多，對于聚焦透鏡及信號檢測用的光電倍增管的性能要求較高；第二系 統(tǒng)調(diào)節(jié)復(fù)雜，特別是反射光聚焦于針孔的調(diào)節(jié)需要專門儀器和一定的技術(shù)才能實現(xiàn)；第三 測量視野較小，一般共焦點激光顯微鏡的測量視野在IOmm以內(nèi)，如果測量較大機械零件須 多次移動測量平臺增加測量時間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的就在于提供了一種基于自混合干涉的共 焦點激光顯微鏡及其掃描方法，利用激光自混合干涉和共焦點原理進行顯微掃描，綜合了 激光自混合技術(shù)的結(jié)構(gòu)簡單、易準直的優(yōu)點和共焦點顯微鏡軸向分辨力高、抗干擾能力強 的特點，解決了共焦點激光顯微鏡的自動對焦問題和擴大測量視野的問題，簡化了傳統(tǒng)共 焦點顯微鏡的結(jié)構(gòu)，減小共焦測量系統(tǒng)中反射光路的調(diào)整難度，彌補了傳統(tǒng)共焦點顯微鏡 的所需光學(xué)元件多、對光學(xué)元件要求高、光路復(fù)雜調(diào)節(jié)難度高的特點。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是這樣的：一種基于自混合干涉的共 焦點激光顯微鏡，包括氦氖激光器、由凹透鏡和凸透鏡組成的擴束準直透鏡組、可變中性密 度濾光片、物鏡、兩維運動平臺、一維運動平臺、精密運動平臺控制器；
[0007] 所述氦氖激光器與氦氖激光器電源相連，氦氖激光器的正向發(fā)射端軸線上依次設(shè) 置有擴束準直透鏡組、可變中性密度濾光片、物鏡以及待測目標，所述待測目標固定于兩維 運動平臺上；
[0008] 所述氦氖激光器正向輸出單縱模線偏振激光，所述激光通過擴束準直透鏡組后被 擴束準直變?yōu)槠矫娌?，并依次通過可變中性密度濾光片、物鏡后聚焦于待測目標上，所述待 測目標將部分光沿著來時的傳播路徑反射回氦氖激光器，形成反饋光；所述一維運動平臺 放置于兩維運動平臺的下方，其輸入端與精密運動平臺控制器的輸出端相連接，且所述精 密運動平臺控制器的輸出端還與兩維運動平臺的輸入端相連接；
[0009] 還包括依次連接的光電探測器、電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、濾波器、放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換 電路以及計算機單元；
[0010] 所述光電探測器放置于所述氦氖激光器的發(fā)射端軸線上；
[0011] 所述電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端與光電探測器的輸出端相連接，并將光電探測 器檢測的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出；
[0012] 所述濾波器的輸入端與電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端相連接，用于濾除干擾信號 并將處理過的信號輸出；
[0013] 所述放大器的輸入端與濾波器的輸出端相連接，并將接收到的信號放大后輸出； 所述模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端與放大器的輸出端相連接，并將放大器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號，實現(xiàn)信號的同步采樣；
[0014] 所述計算機單元的輸入端與模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出端相連、輸出端與精密運動平 臺控制器相連，對經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行計算處理顯示待測目標的形貌 信息，同時發(fā)出指令到精密運動平臺控制器控制所述兩維運動平臺與一維運動平臺的運動 掃描整個待測目標。
[0015] 一種基于所述共焦點激光顯微鏡的掃描方法，包括如下步驟：
[0016] (1)氦氖激光器發(fā)出單縱模線偏振激光，所述激光由擴束準直透鏡組擴束準直，然 后經(jīng)過可變中性密度濾光片控制射出光束的衰減程度，再透射到物鏡；
[0017] (2)物鏡將光束聚焦到待測目標上，光束再由待測目標反射沿原光路返回，重新耦 合入氦氖激光器，發(fā)生自混合干涉效應(yīng)，自混合干涉信號由光電探測器接收；
[0018] (3)光電探測器接收到的信號再經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、濾波器、放大器、模/數(shù) 轉(zhuǎn)換電路變成數(shù)字信號傳輸至計算機單元；
[0019] (4)計算機單元發(fā)出指令到精密運動平臺控制器控制一維運動平臺運動，通過觀 察計算機單元得到的干涉信號的光強變化來尋找物鏡的焦點位置，并以該點作為待測目標 形貌掃描的基準點；
[0020] (5)待測目標的形貌掃描：計算機單元發(fā)出指令到精密運動平臺控制器控制兩維 運動平臺運動來獲取待測目標的每個點的自混合干涉信號，并將得到的信號通過計算機單 元處理，從而得到待測目標的完整形貌。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：
[0022] 1.本發(fā)明采用激光自混合干涉原理，不需要傳統(tǒng)共焦點激光顯微鏡的分束器和觀 察光路等輔助光學(xué)元件，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、易準直，光路調(diào)整容易；
[0023] 2.本發(fā)明采用氦氖激光器作為系統(tǒng)光源，頻率穩(wěn)定，光束發(fā)散角極小再經(jīng)過擴束 準直透鏡組擴束準直具有極強的穩(wěn)定性和通用性等特點；
[0024] 3.本發(fā)明采用計算機通過精密運動平臺控制器控制兩維運動平臺來獲取待測目 標形貌，因此顯微掃描的放大倍數(shù)由運動該平臺的分辨率來決定，現(xiàn)在普遍的精密運動平 臺都能達到2nm的分辨率，對于一個面積為mm 2的待測目標來說本發(fā)明得到像素點為5 X 105 的形貌圖。隨著技術(shù)的發(fā)展精密運動平臺的分辨率將會越來越高，本發(fā)明只需更換運動平 臺就可以獲取更高分辨率的顯微圖像，因此本發(fā)明具有很好的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0025] 圖1為反射式共焦點激光顯微鏡光路圖；
[0026] 圖2為基于自混合干涉對的共焦點激光顯微鏡光路圖；
[0027] 圖3為激光正向傳播時系統(tǒng)簡化等效數(shù)學(xué)模型；
[0028] 圖4為激光反射傳播時系統(tǒng)簡化等效數(shù)學(xué)模型；
[0029] 圖5為基于自混合干涉對的共焦點激光顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖6為基于自混合干涉對的共焦點激光顯微鏡工作流程圖。
【具