CN101858727B - 基于数字微镜光源的并行共焦测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于数字微镜光源的并行共焦测量系统及测量方法，其特征是设置以DMD微镜控制系统和DMD芯片构成的、可以控制DMD芯片中任一微镜的偏转的DMD系统；准直光源发出的光束在所述DMD系统中形成反射，由DMD系统形成的反射光经过成像透镜形成测量所需的光源，测量所需的光源依次经过分光镜和望远镜系统投照在工作台上的被测物表面，由被测物将投照在其表面的光束反射至面阵CCD，构成并行共焦测量系统。本发明利用DMD构建了一种柔性的数字微镜光源，并将其应用于并行共焦测量系统，可以按照需要，方便、快捷地控制微镜阵列中每个微镜的偏转状态，从而构建出不同形状、任意大小的柔性光源。

Description

基于数字微镜光源的并行共焦测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及应用于三维形貌检测的测量系统及测量方法，更具体地说是一种并行共焦测量系统及其测量方法。

背景技术

传统的并行共焦显微镜通常采用Nipkow转盘、微针孔阵列、微光学器件(如微透镜阵列等)实现对光束的分割，从而由单点测量变成多点同时测量，但是这些光学器件一旦制成，光源的参数就固定了，若要改变光源点的分布及尺寸就必须更换光学器件，这不仅提高了成本，还限制了并行共焦系统的部分应用。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种可以任意改变光源的形状、大小，改变光源阵列疏密等参数，以增强并行共焦测量系统获取表面信息的能力的基于数字微镜光源的并行共焦测量系统及测量方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案

本发明基于数字微镜光源的并行共焦测量系统的特点是：

设置以DMD微镜控制系统和DMD芯片构成的、可以控制DMD芯片中任一微镜的偏转的DMD系统；以所述DMD系统接收准直光源发出的准直光束，并形成投向成像透镜的准直光源反射光，所述准直光源反射光经过成像透镜后作为测量光源依次经过分光镜和望远镜系统形成朝向工作台上的被测物表面投照的测量光，由所述望远镜系统和分光镜同时构成测量光反射回路，面阵CCD 7经测量光反射回路接收来自被测物表面的被测反射光束。

本发明基于数字微镜光源的并行共焦测量系统的测量方法为：

设系统中准直光源的波长为λ，测量量程为L，系统要求的横向分辨率为δ，系统的放大率为M，DMD芯片是由m×n个微镜构成的微镜阵列，每个正方形微镜的边长为d₀，每个微镜在阵列中的位置用d_i，j表示，其中i和j分别表示该微镜的横坐标和纵坐标，i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n；那么k×k个微镜构成的点光源大小为kd₀×kd₀；

其特征是所述测量方法按如下步骤进行：

a、由泰伯间距的公式z＝2d/λ，为使系统量程达到L，则所构建的光源周期d＝d₁，此时点光源间距N₁＝d₁/d₀；

i＝1+aN₁，2+aN₁，…，k+aN₁

j＝1+bN₁，2+bN₁，…，k+bN₁

b、控制d_ij偏转+12°，其中：

a＝0，1，2，…，[m/(k+N₁)]

b＝0，1，2，…，[n/(k+N₁)]

其余微镜偏转-12°，构建出预览光源；由所述预览光源确定点光源对应区域的正焦面位置；

c、由d₂＝δ/M确定光源周期光源点间距N₂＝d₂/d₀；

i＝1+aN₂，2+aN₂，…，k+aN₂

j＝1+bN₂，2+bN₂，…，k+bN₂

d、控制d_i，j偏转+12°，其中：

a＝0，1，2，…，[m/(k+N₂)]

b＝0，1，2，…，[n/(k+N₂)]

其余微镜偏转-12°，构建出测量光源；在已探知正焦面位置的情况下，用测量光源进行并行共焦测量，得到各采样点的坐标值。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明利用DMD构建了一种柔性的数字微镜光源，并将其应用于并行共焦测量系统，可以按照需要，方便、快捷地控制微镜阵列中每个微镜的偏转状态，从而构建出不同形状、任意大小的柔性光源。

附图说明

图1为本发明中用于消除泰伯效应对并行共焦测量影响的DMD控制流程图。

图2测量表面有细槽的被测物的DMD控制流程图。

图3为本发明原理图。

图中标号：1准直光源、2为DMD系统、3成像透镜、4分光镜、5望远镜系统、6工作台、7面阵CCD7。

具体实施方式

参见图3，本实施例设置以DMD微镜控制系统和DMD芯片构成的DMD系统2，并行共焦测量系统中的DMD进行工作时，可以将每个微镜以纵横坐标的形式加以区分，再通过DMD微镜控制系统对每个坐标点上的微镜进行编程，分别控制它们的偏转情况。准直光源发出的光束在DMD系统中形成反射，由DMD系统形成的反射光经过成像透镜形成测量所需的光源，测量所需的光源依次经过分光镜和望远镜系统投照在工作台上的被测物表面，由所述被测物将投照在其表面的光束反射至面阵CCD，构成并行共焦测量系统。

图3所示，本实施例是以DMD系统2接收准直光源1发出的准直光束，并形成投向成像透镜3的准直光源反射光，准直光源反射光经过成像透镜3后作为测量光源依次经过分光镜4和望远镜系统5形成朝向工作台6上的被测物表面进行投照的测量光，由望远镜系统5和分光镜4同时构成测量光反射回路，面阵CCD 7经测量光反射回路接收来自被测物表面的被测反射光束。

DMD芯片是由800×600的微镜阵列构成的光学器件，其中每个微镜都有0°、+12°和-12°三种状态，0°时微镜处于“非工作”状态；工作状态下，+12°时微镜将照射而来的光线反射后形成光源点，-12°时经微镜反射后的光线则被吸收屏吸收，不参与构建光源。本发明所涉及的DMD微镜控制系统可以对微镜阵列中每个坐标点上的微镜进行编程，分别控制它们的偏转情况，这样就可以控制+12°偏转的微镜在微镜阵列中的位置任意分布，从而形成所需的光源。

设系统中准直光源的波长为λ，测量量程为L，系统要求的横向分辨率为δ，系统的放大率为M，DMD芯片是由m×n个微镜构成的微镜阵列，每个正方形微镜的边长为d₀，每个微镜在阵列中的位置用d_i，j表示，其中i和j分别表示该微镜的横坐标和纵坐标，i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n；那么k×k个微镜构成的点光源大小为kd₀×kd₀；

本实施例中的测量方法按如下步骤进行：

a、由泰伯间距的公式z＝2d/λ，为使系统量程达到L，则所构建的光源周期d＝d₁，此时点光源间距N₁＝d₁/d₀；

i＝1+aN₁，2+aN₁，…，k+aN₁

j＝1+bN₁，2+bN₁，…，k+bN₁

b、控制d_i，j偏转+12°，其中：

a＝0，1，2，…，[m/(k+N₁)]

b＝0，1，2，…，[n/(k+N₁)]

其余微镜偏转-12°，构建出预览光源；由所述预览光源确定点光源对应区域的正焦面位置；

c、由d₂＝δ/M确定光源周期光源点间距N₂＝d₂/d₀；

i＝1+aN₂，2+aN₂，…，k+aN₂

j＝1+bN₂，2+bN₂，…，k+bN₂

d、控制d_i，j偏转+12°，其中：

a＝0，1，2，…，[m/(k+N₂)]

b＝0，1，2，…，[n/(k+N₂)]

其余微镜偏转-12°，构建出测量光源；在已探知正焦面位置的情况下，用测量光源进行并行共焦测量，得到各采样点的坐标值。

上述测量方法的控制流程如图1所示，这一测量方法可以消除泰伯效应对并行共焦测量的影响。

如果被测物表面有细槽时，亦可通过该方法测量槽宽及表面其余位置的表面形貌，测量方法为：

1、控制d_i，j偏转+12°

i＝1+aN₂，2+aN₂，…，N₁+aN₂

j＝1，2，…，n

a＝0，1，2，…，[m/(N₁+N₂)]

其余微镜偏转-12°，构建粗细为d₁，间距为d₂的纵向条纹光源；

2、条纹光源照射在细槽上时，会在槽的边缘出现两个折点，计算纵向条纹下的折点宽度y₁；

3、控制d_i，j偏转+12°

i＝1，2，…，m

j＝1+bN₄，2+bN₄，…，N₃+bN₄

b＝0，1，2，…，[n/(N₃+N₄)]

其余微镜偏转-12°，构建粗细为d₃，间距为d₄的横向条纹光源；

4、计算横向条纹下的折点宽度y₂；

5、当y₁，y₂≠0时，由计算细槽的真实宽度；

而当y₁＝0时，y＝y₂；反之，y＝y₁；

6、由d＝δ/M确定光源周期光源点间距N＝d/d₀；

7、控制d_i，j偏转+12°，其中

i＝1+aN，2+aN，…，k+aN

j＝1+bN，2+bN，…，k+bN

a＝0，1，2，…，[m/(k+N)]

b＝0，1，2，…，[n/(k+N)]

其余微镜偏转-12°，构建了测量光源；

8、用测量光源对表面其余位置进行并行共焦测量，得到各采样点的坐标值。

其控制流程如图2所示。

Claims (1)

1.一种基于数字微镜光源的并行共焦测量系统的测量方法，设置以DMD微镜控制系统和DMD芯片构成的、可以控制DMD芯片中任一微镜的偏转的DMD系统(2)；以所述DMD系统(2)接收准直光源(1)发出的准直光束，并形成投向成像透镜(3)的准直光源反射光，所述准直光源反射光经过成像透镜(3)后作为测量光源依次经过分光镜(4)和望远镜系统(5)形成朝向工作台(6)上的被测物表面投照的测量光，由所述望远镜系统(5)和分光镜(4)同时构成测量光反射回路，面阵CCD(7)经测量光反射回路接收来自被测物表面的被测反射光束；设并行共焦测量系统中准直光源的波长为λ，测量量程为L，并行共焦测量系统要求的横向分辨率为δ，并行共焦测量系统的放大率为M，DMD芯片是由m×n个微镜构成的微镜阵列，每个正方形微镜的边长为d₀，每个微镜在阵列中的位置用d_i，j表示，其中i和j分别表示该微镜的横坐标和纵坐标，i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n；那么k×k个微镜构成的点光源大小为kd₀×kd₀；

其特征是所述测量方法按如下步骤进行：

a、由泰伯间距的公式z＝2d/λ，为使并行共焦测量系统量程达到L，则所构建的光源周期d＝d₁，此时点光源间距N₁＝d₁/d₀；

b、控制d_i，j偏转+12°，其中： $\begin{array}{c}i=1+a{N}_1,2+a{N}_1,...,k+a{N}_1\\ j=1+b{N}_1,2+b{N}_1,...,k+b{N}_1\\ a=\mathrm{0,1,2},...,[m/(k+N_1)]\\ b=\mathrm{0,1,2},...,[n/(k+N_1)]\end{array}$

其余微镜偏转-12°，构建出预览光源；由所述预览光源确定点光源对应区域的正焦面位置；

c、由d₂＝δ/M确定光源周期光源点间距N₂＝d₂/d₀；

d、控制d_i，j偏转+12°，其中： $\begin{array}{c}i=1+a{N}_2,2+a{N}_2,...,k+a{N}_2\\ j=1+b{N}_2,2+b{N}_2,...,k+b{N}_2\\ a=\mathrm{0,1,2},...,[m/(k+N_2)]\\ b=\mathrm{0,1,2},...,[n/(k+N_2)]\end{array}$

其余微镜偏转-12°，构建出测量光源；在已探知正焦面位置的情况下，用测量光源进行并行共焦测量，得到各采样点的坐标值。

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