数字微镜器件用于并行共焦显微探测的研究

　　0 引 言

　　共焦显微术以其高分辨力、能够较容易实现被测物表面三维重构等优势被广泛应用于生物学、医学、材料学和微细加工等领域，其中，并行共焦显微术又因其测量的快速性备受国内外专家的关注[1-2]。并行共焦系统的关键是采用点光源阵列来实现并行光路，目前普遍采用微光学器件实现光束分割，如Nipkow 转盘、微针孔阵列和微透镜阵列等，但是由于此类微光学器件制作困难，受制作工艺影响大，无法保证各个微型器件光学性能的一致性和均匀性，因此在测量中引入较大的误差;并且微光学器件一旦制成，光学参数将无法更改，如果需要改变微光学器件的周期(阵列数)，则需要重新制作一个全新的器件。为了改善微光学器件的柔性，使其更具有通用性，本文提出了一种采用数字微镜器件(DMD)构建并行光源的方式，以取代传统的微光学器件。数字微镜器件可以在反射入射光的同时，将其分束，再通过聚焦透镜形成点光源阵列，从而完成传统微光学器件的功能。DMD 对光线分束的方式可以通过程序进行控制，从而使点光源阵列的大小、间距可根据需要进行变换。本文旨在研究 DMD 用于并行共焦显微探测的可行性，并根据 DMD 自身的特点设计了测量光路，通过实验研究了基于 DMD 的数字并行光源对并行共焦显微探测纵向分辨力的影响。

　　1 原理介绍

　　1.1 并行共焦显微术简介

　　并行共焦显微的原理如图1 所示。光源发出的光经微透镜阵列分束后形成点光源阵列[3-5]，并由透镜组成的远心光路成像在被测物面，再由物面反射后，成像在 CCD 像面，其中，点光源阵列面、物面和 CCD 像面是彼此共轭的。测量时，随着物面做 Z 向移动，成像于 CCD 像面的光斑大小发生改变，导致 CCD 单个像素点所接收到的光强也会发生变化，因此可以得到该像素点沿Z 向的理想特性曲线[6-7]如图2。由光强位移曲线可以得到该像素点的正焦位置，将视场内所有像素点的正焦位置找到后，即可获知被测物面的表面轮廓形貌。

　　1.2 DMD 介绍

　　数字微镜器件(DMD)是由美国德州仪器公司在 1987 年发明的，它是一种基于半导体制造技术、由高速数字式光反射开关阵列组成的器件[8-10]，其核心是在 CMOS 基底上加上了很多小到十几微米见方的微镜，而一个 DMD 芯片上有几十万到几百万个微镜，每个微镜的结构如图 3 所示。DMD 是电寻址空间光调制器结构，通过在反射镜上加偏置电压，微镜可以旋转到+12o或-12o。将图像输入到 DMD 上显示后，由其对光线进行反射，再通过透镜即可制造出点光源阵列，而阵列的灰度则可通过程序控制微镜的偏转频率来实现。DMD 反射后会产生两个灰度互补的像，在实验中只需利用其中一个，如图 4。