自聚焦共焦式微小内腔体探测技术

　　1　引　言

　　共焦显微技术的思想由M. Minsky在1961年首次提出[1],由于引入了具有空间滤波功能的共焦针孔,因而不但使光学系统拥有独特的轴向响应特性,而且使其具有抗杂散光能力强和光强对比度高等优点[1]。随后许多学者,如T. Wilson, C. J. R.Sheppard,M. Gu和H. J. Tiziani等[2~5]对共焦方法作了进一步研究。其中,Lee[6~10]等学者利用共焦显微系统的轴向响应曲线斜坡区段的强度与高度的线性关系发展了一种三维表面形貌检测法,实现了高精度的非接触测量。但是,这些探测技术都是基于普通显微物镜的,其系统前端测头庞大,不利于微型尺寸的探测。

　　本文利用He-Ne激光器相干性好、准直性好、光强稳定等特点,基于共焦显微技术,结合自聚焦透镜体积小的特点,在理论分析的基础上,提出新型反射式自聚焦共焦式微小尺寸非接触式三维检测系统。该系统可以对直径大于5 mm以内深孔、盲孔、球形腔体等狭小空间内尺度和微小非连续表面轮廓的非接触三维形貌测量提供一种技术途径。

　　2　理论分析

　　自聚焦共焦探测光路与普通共焦显微光路的不同之处在于,前端探测部分用自聚焦透镜代替了显微物镜,充分地利用了自聚焦透镜体积小的优点和共焦显微技术的高分辨力和绝对位置跟踪特性。探测光路如图1所示,其中,光源、物点和点探测器三点处于彼此对应的共轭位置,当物体位于焦平面时,反射光被精确地聚焦在点探测器上,焦点以外的光将全被针孔屏蔽,此时探测器接收到的光能量最大;当物体偏离焦平面时,反射光被聚焦于点探测器的前面或后面的某个位置上,此时探测器仅仅能接受到一小部分光能量,这样就可以通过探测光强信号的强弱变化来获得轴向位移信息。

　　S(x0,y0)=δ(x0)δ(y0)为点光源的振幅分布函数。对于自聚焦透镜的点扩散函数h为[10~14]

　　z为自聚焦透镜厚度,P(r)为自聚焦透镜的光瞳函数,n0为自聚焦透镜中心折射率。根据菲涅耳衍射理论,焦平面附近上的幅值为

　　由式(5),(6)可见,自聚焦共焦扫描显微成像在光强到达半极值宽度时对应的光学轴向坐标u(或规格化轴向坐标)为4·015,而普通扫描显微成像在光强到达半极值宽度时对应的光学轴向坐标u为5·570,也就是说自聚焦共焦扫描显微成像的纵向分辨力也是普通扫描显微成像的1·39倍。它们的深度分辨特性比较如图2所示。

　　3　实验系统和结果

　　对精密微小尺寸三维轮廓测量有五个要求:一是高的轴向分辨力;二是对较大倾斜表面的瞄准能力;三是对突跳位置的绝对跟踪能力,即具有对间断轮廓和尺寸表面的跟踪瞄准能力;四是高精度的位移传感器,依此获得坐标值;五是测头微小型化。结合上述基本要求,进行了初步实验。实验装置图如