CN100470190C - 阵列垂直腔面发射激光器共焦显微系统 - Google Patents
阵列垂直腔面发射激光器共焦显微系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了属于表面形貌测量技术领域的一种阵列垂直腔面发射激光器共焦显微系统。包括光源、测量和信号处理三个部分组成，光源部分是一个垂直腔面发射激光器阵列，实现对工件表面相对应各测点的特征提取，信号处理部分由光学信号的接收器件和工控计算机组成；测量部分包括扩束准直透镜，分光镜和一个长筒显微物镜。系统以光学扫描方法部分取代了传统仪器中工作台的机械式扫描，从而减少振动等带来的干扰并显著提高测量速度。通过增加垂直腔面发射激光器线性调频、相位检测手段，可实现绝对距离测量以增大仪器的测量范围。该系统广泛应用于各种自由曲面、微机械MEMS器件、微电子掩膜板、生物芯片等微观精密表面的测量。
Description
技术领域
本发明属于表面形貌测量技术领域。特别涉及阵列垂直腔面发射激光器共焦显微系统。
背景技术
在当今蓬勃发展的制造业中，微纳米精密计量技术已被广泛地应用到包括航空航天、半导体工业、微机电系统MEMS、微电子掩膜板、生物芯片等各个领域，表面形貌的测量长期以来就是精密计量领域的热点。自由曲面是一种特殊的表面，是指非对称性、不规则、不适合用统一的方程式来描述的曲面。自由曲面光学元件已成为用于光电信息产业的关键零部件。此外，人工关节表面也是一种典型的自由曲面，其研究在人体康复工程中占有重要的位置。
自由曲面加工常用数控磨削方法，在其加工过程中存在基本面型误差。为了提高自由曲面的加工精度，需要对其进行在线检测。当前最常用的自由曲面测量方法是坐标测量。坐标测量法是一种通用数字化间接测量技术，它以空间直角坐标为参考系，检测零件轮廓上各被测点的坐标值，并对其数据群进行处理，求得零件各几何元素形位尺寸的检测方法。实施设备一般为三坐标测量机。目前，精密坐标测量机的综合测量精度达到了0.6-0.7μm。传统的三坐标测量机多采用接触式测量，其缺点是测量速度低、易划伤被测表面、存在接触压力和测头半径补偿等缺点。
对于高精度的表面形貌测量，常用的还有原子力显微镜、扫描隧道显微镜、近场光学显微镜、干涉显微镜等方法。基于以上测量原理，Veeco、Taylor-Hobson等公司开发了系列表面形貌测量仪器，例如Talysurf CCI，Wyko NT-8000、ZygoNewView 5000等。虽然这些方法和仪器都具有很高的测量精度，但其测量速度和测量范围都受到一定的局限，并不适用于自由曲面的测量。
所以，研究适用于较高精度、快速检测和大范围测量的新原理、新方法已成为自由曲面制造业发展亟待解决的问题。本申请正是瞄准这一需求，提出一种采用二维阵列式垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为光源的多点同时扫描共焦显微法用于自由曲面测量。VCSEL于上个世纪八十年代末问世，短短十几年来，它被广泛地应用到大规模集成光互连、超宽带光纤通讯以及空间光学二维光信息处理等领域，并在材料、制作、加工等方面都得到迅猛发展。本申请拟通过控制VCSEL阵列上不同点光源同时发光，实现对待测表面相对应各测点的提取，以获得微观表面形貌信息。该系统以光学扫描方法部分取代了传统仪器中二维工作台机械扫描，从而大大提高测量速度。通过对VCSEL进行线性调频、相位检测等手段，可实现绝对距离测量以扩展测量范围。
基于这种阵列式VCSEL的新型共焦显微系统，实现了“零接触测量”，有效避免了在高精度测量中测量力带来的系统误差，可方便实现对软质和超薄形物体表面形状的测量，具有测量分辨率高、速度快、测量范围大等特点，可广泛应用于微机械MEMS器件、微电子掩膜板、生物芯片等各种微观精密表面，尤其是汽车车灯、人工关节、液晶显示微阵列透镜等自由曲面的测量。
发明内容
本发明目的在于提供基于二维的面阵光源多点扫描的一种阵列式垂直腔面发射激光器共焦显微系统。所述垂直腔面发射激光器共焦显微系统包括光源、测量和信号处理三个部分，其特征在于：
所述光源部分，是一个垂直腔面发射激光器阵列，其驱动电源为直流电源驱动、开关控制逐一驱动，或线性调频电源，前二者用于实现传统共焦系统的测量；所述驱动电源用于通过对垂直腔面发射激光器进行线性调频，实现绝对距离测量以增大仪器的测量范围；其垂直腔面发射激光器阵列光源可逐一发光或者同时发光；
所述信号处理部分包括：
一个光学信号的接收器件，由CCD(电荷藕合器件图像传感器)器件，或PIN器件担任，其中CCD器件用于进行多点同时探测，PIN器件用于进行单点探测；
工控计算机，具有信号采集、分析以及显示的功能，用于对上述接收器件接收的信号进行处理，同时也具有D/A输出，用于驱动显微镜物镜的显微镜物镜驱动装置，获得共焦测量的光强最大点以实现共焦测量；在多点探测时对垂直腔面发射激光器阵列进行控制，达到使之逐一发光的目的。
所述测量部分包括：
一个扩束准直透镜，用于对垂直腔面发射激光器阵列输出的光束进行扩束和准直，使得光束能够在系统光学元件范围内传输；
一个分光镜，用于将待测样品的上反射和散射的光束反射到测量系统中；
一个长筒显微物镜，包括显微镜物镜及显微镜物镜驱动装置，用于将垂直腔面发射激光器阵列的输出光束会聚在待测样品上，同时用于层析扫描；
所述待测样品即为被测量的物体；
一个会聚接收透镜，用于将待测样品的上反射和散射的光束会聚到阵列针孔上；上述阵列针孔，第一阵列针孔2位于垂直腔面发射激光器阵列1的输出光端，用于光源滤波；第二阵列针孔8位于接收器件9的前端，用于形成共焦测量；
所述显微镜物镜驱动装置由PI—FOC压电陶瓷驱动器担任，用于带动物镜做垂直方向扫描。
所述阵列式垂直腔面发射激光器共焦显微系统的具体结构是，在垂直腔面发射激光器阵列1下面固定第一阵列针孔2，按光路布置，在第一阵列针孔2和显微物镜5之间的光轴上从上至下放置扩束准直透镜3和分光镜4，待测样品6放在显微物镜5的载物台上，显微镜物镜的驱动装置10和显微物镜5固定在一起；在垂直于光轴的分光镜4的反射光光轴上，在分光镜4左面依次放置会聚透镜7、第二阵列针孔8和接收器件9；工控计算机11通过信号线分别和垂直腔面发射激光器阵列1、接收器件9、显微镜物镜的驱动装置10和待测样品6连接。
本发明的有益效果是通过解决待测工件与光源的匹配以及与探测孔阵列的匹配，实现多点同时扫描探测，以光学扫描部分取代传统的工作台机械扫描，获取待测曲面的几何参数信息，实现的性能指标为：轴向测量精度10-100nm(与显微物镜放大率及其它系统参数有关)、横向光学扫描范围为100μm-1mm(可配合工作台移动而扩展)。它以光学扫描方法部分取代了传统仪器中工作台的机械式扫描，从而减少振动等带来的干扰并显著提高测量速度，而通过增加垂直腔面发射激光器阵列的线性调频、相位检测手段，可实现绝对距离测量以增大仪器的测量范围。
附图说明
图1为垂直腔面发射激光器共焦显微系统结构示意图。
具体实施方式
本发明提供基于二维的面阵光源多点扫描的一种阵列式垂直腔面发射激光器共焦显微系统。所述垂直腔面发射激光器共焦显微系统包括光源、测量和信号处理三个部分：
所述光源部分，是一个垂直腔面发射激光器阵列，其驱动电源为直流电源驱动、开关控制逐一驱动，或线性调频电源，前二者用于实现传统共焦系统的测量；所述驱动电源用于通过对垂直腔面发射激光器进行线性调频，实现绝对距离测量以增大仪器的测量范围；其垂直腔面发射激光器阵列光源可逐一发光或者同时发光；
所述信号处理部分包括：
一个光学信号的接收器件为CCD器件，或PIN器件，其中CCD器件用于进行多点同时探测，PIN器件用于进行单点探测；
工控计算机，具有信号采集、分析以及显示的功能，用于对上述接收器件9接收的信号进行处理，同时也具有D/A输出，用于驱动显微镜物镜的显微镜物镜驱动装置，获得共焦测量的光强最大点以实现共焦测量；在多点探测时对垂直腔面发射激光器阵列进行控制，达到使之逐一发光的目的。
所述测量部分包括：
一个扩束准直透镜，用于对垂直腔面发射激光器阵列输出的光束进行扩束和准直，使得光束能够在系统光学元件范围内传输；
一个分光镜，用于将待测样品的上反射和散射的光束反射到测量系统中；
一个长筒显微物镜，包括显微镜物镜及显微镜物镜驱动装置，显微镜物镜驱动装置由PI—FOC，压电器件担任，用于将垂直腔面发射激光器阵列的输出光束会聚在待测样品上，同时用于层析扫描；
所述待测样品即为被测量的物体；
一个会聚接收透镜，用于将待测样品的上反射和散射的光束会聚到阵列针孔上；上述阵列针孔，第一个列针孔2位于垂直腔面发射激光器阵列1的输出光端，用于光源滤波；第二个阵列针孔8位于接收器件9的前端，用于形成共焦测量；
所述阵列式垂直腔面发射激光器共焦显微系统的具体结构如图1所示，在垂直腔面发射激光器阵列1下面固定第一阵列针孔2，按光路布置，在第一阵列针孔2和显微物镜5之间的光轴上从上至下放置扩束准直透镜3和分光镜4，待测样品6放在显微物镜5的载物台上，显微镜物镜的驱动装置10和显微物镜5固定在一起；在垂直于光轴的分光镜4的反射光光轴上，在分光镜4左面依次放置会聚透镜7、阵列针孔8和接收器件9；工控计算机11通过信号线分别和垂直腔面发射激光器阵列1、接收器件9、显微镜物镜的驱动装置10和待测样品6连接。
下面结合附图说明系统工作原理：垂直腔面发射激光器阵列1所输出光束入射到第一阵列针孔2上，第一阵列针孔2能够减小垂直腔面发射激光器阵列1的输出光间的干扰。扩束准直透镜3，将垂直腔面发射激光器阵列1输出的光束进行扩束和准直，使得光束能够在系统光学元件范围内传输。分光镜4，用于将待测样品的上反射和散射的光束反射到测量系统中，为测量系统提供光学信号。显微物镜5，由驱动装置10驱动，沿着光束方向移动，以便将垂直腔面发射激光器阵列1输出的光束会聚在待测样品6上，实现共焦测量。待测样品6即是被测量的物体。分光镜4反射的光束经过会聚接收透镜7入射到第二阵列针孔8上。在进行多点同时探测时，接收器件(CCD器件或PIN器件)9位于第二阵列针孔8后对光学信号进行接收；PIN器件是在进行单点探测时用。工控计算机11，具有信号采集、分析以及显示的功能，用于对上述接收器件9接收的信号进行处理，同时它也具有D/A输出用于驱动显微镜物镜的驱动装置10，以使得系统获得共焦测量的光强最大点来实现共焦测量；在垂直腔面发射激光器阵列1进行逐一发光时对其进行控制。
上述系统设计实现对垂直腔面发射激光器阵列不同点光源光强的控制及线性调频。以阵列垂直腔面发射激光器作为共焦系统的光源，实现对待测工件表面的光学扫描，获得不同点的几何参数特征。由工控计算机分别记录共焦光强探测结果以及线性调频所获得的表面上绝对距离变化(尤其是当变化比较剧烈时)，可得综合的自由曲面测量信息。阵列VCSEL上不同点光源发出的激光首先经过一阵列针孔(可采取曝光方式加工、保证与垂直腔面发射激光器阵列相匹配)，再由扩束透镜准直，经过分光镜后被显微物镜会聚到待测的自由曲面工件，从待测工件上返回的光经分光镜反射，由另一透镜会聚并分别投射到与垂直腔面发射激光器前阵列针孔相共轭的另一阵列针孔，通过接收器件接收其各点的光强信息。通过显微物镜(与PI-FOC压电陶瓷驱动器联结)进行轴向层析扫描，可捕捉到各测点共焦光强最大的位置，进行相关的数据处理可得最终待测曲面的几何参数信息。在探测共焦系统光强的基础上，在光源和接收部分增加对阵列垂直腔面发射激光器作线性调频的环节，通过相位检测可得曲面上不同点与光源之间绝对距离的变化量。对于多点光源同时进行线性调频所需进行的驱动及信号接收、处理等问题都有待解决。
Claims (3)
1.一种阵列式垂直腔面发射激光器共焦显微系统，所述垂直腔面发射激光器共焦显微系统，其特征在于，包括光源、测量和信号处理三个部分：
所述光源部分，是一个垂直腔面发射激光器阵列，其驱动电源为直流电源驱动、开关控制逐一驱动或线性调频电源，前二者用于实现传统共焦系统的测量；所述驱动电源用于通过对垂直腔面发射激光器进行线性调频，实现绝对距离测量以增大仪器的测量范围；其垂直腔面发射激光器阵列光源逐一发光或者同时发光；
所述信号处理部分包括：
一个光学信号的接收器件，用于进行多点同时探测或进行单点探测；
工控计算机，具有信号采集、分析以及显示的功能，用于对上述接收器件接收的信号进行处理，同时也具有D/A输出，用于驱动显微镜物镜的显微镜物镜驱动装置，获得共焦测量的光强最大点以实现共焦测量；在多点探测时对垂直腔面发射激光器阵列进行控制，达到使之逐一发光的目的；
所述测量部分包括：
一个扩束准直透镜，用于对垂直腔面发射激光器阵列输出的光束进行扩束和准直，使得光束能够在系统光学元件范围内传输；
一个分光镜，用于将待测样品的反射和散射的光束反射到测量系统中；
一个长筒显微物镜，包括显微镜物镜及显微镜物镜驱动装置，用于将垂直腔面发射激光器阵列的输出光束会聚在待测样品上，同时用于层析扫描；
第一阵列针孔(2)位于垂直腔面发射激光器阵列(1)的输出光端，用于光源滤波；第二阵列针孔(8)位于接收器件(9)的前端，用于形成共焦测量；一个会聚接收透镜，用于将待测样品的反射和散射的光束会聚到第二阵列针孔(8)上；
所述阵列式垂直腔面发射激光器共焦显微系统的具体结构是，在垂直腔面发射激光器阵列(1)下面固定第一阵列针孔(2)，按光路布置，在第一阵列针孔(2)和显微物镜(5)之间的光轴上从上至下放置扩束准直透镜(3)和分光镜(4)，待测样品(6)放在显微物镜(5)的载物台上，显微镜物镜的驱动装置(10)和显微物镜(5)固定在一起；在垂直于光轴的分光镜(4)的反射光光轴上，在分光镜(4)左面依次放置会聚透镜(7)、第二阵列针孔(8)和接收器件(9)；工控计算机(11)通过信号线分别和垂直腔面发射激光器阵列(1)、接收器件(9)、显微镜物镜的驱动装置(10)和待测样品(6)连接。
2.根据权利要求1所述阵列式垂直腔面发射激光器共焦显微系统，其特征在于，所述显微镜物镜驱动装置为PI—FOC压电陶瓷驱动器，用于带动物镜做垂直方向扫描。
3.根据权利要求1所述阵列式垂直腔面发射激光器共焦显微系统，其特征在于，所述光学信号的接收器件为CCD器件或PIN器件，其中CCD器件用于进行多点同时探测，PIN器件用于进行单点探测。
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