并行像散共焦微结构探测光学系统分析与设计

　　1 引 言

　　近年来，共焦技术引起各国专家的普遍关注，进行了大量的研究，并取得了一定的成果[1-2]。但是如何提高测量效率和测量精度一直是共焦系统研究领域的热点[3-11]问题。并行共焦通过对光束的分割，实现多路并行探测，提高了测量效率。目前利用微透镜阵列进行光束分割是主流方法，探测原理依然是基于在光路上以微透镜阵列构成的点光源阵列、物面点阵列与像面“软针孔”阵列的共轭结构，通过对像面并行“软针孔”内光强统计来辨识测点的正焦位置[3-11]。这种方法存在着光源噪声与偏移以及 CCD( charge-coupled device) 噪声引起的基准光强误差，降低了测点正焦位置辨识精度，为此提出利用像散器件将测点离焦信息转变为测点对应光场 X-Y 方向光能分布的变化，通过像散原理的差动光强统计实现测点正焦位置信息的辨识。在此像散镜组的作用是对光场能量分布进行调制，而差动算法抑制各类噪声和漂移对测点正焦信息辨识精度的影响。

　　本文以保证全场并行像散光场的特性的一致性、抑制并行像散光场横向漂移、提高像散光场探测曲线过零点灵敏度及其稳定性、提高测点正焦位置辨识精度为目标，分析设计并行像散共聚焦微结构探测系统光路。设计采用远心光路，避免了随着测点的轴向移动并行像散光场在物方和像方的横向漂移[8]。采用平场复消色差长工作距 20 倍显微物镜作为系统物镜，它以全场高分辨率以及优良的像差特性，保证了系统在轴和离轴光场像散特性的一致性。采用 2 片相同参数的薄柱面镜正交配置构成像散镜组取代探测光路中的管镜，经过对像散镜组的参数优化实现探测曲线过零点灵敏度的最大化。利用像散原理的差动算法抑制系统中的干扰，提高信号的信噪比，获得高灵敏度和高稳定性的探测曲线。大量的实验表明系统的光路设计能够有效地抑制系统中的各类干扰对测点正焦位置辨识精度的影响，探测曲线获得良好的稳定性和全场一致性，实现了对测点正焦位置纳米精度辨识。

　　2 系统光路构架

　　并行像散共聚焦探测系统设计的总体要求首先是使系统具有优越的并行探测能力，包括全场在轴和离轴像散光场横向和轴向光能分布的一致性、物方光场和像方光场横向位置的稳定性、高的轴向分辨能力，为此，光路设计基于远心光路，采用激光光源，利于系统高分辨率和良好的并行性。如图 1 所示，光从微透镜阵列经过管镜和显微物镜镜头，到达被测物构成系统照明光路，微透镜阵列将面激光分割，在管镜的物方焦平面上形成点光源阵列，由于微透镜、管镜与物镜镜头构成远心光路，避免物面轴向移动时测点横向漂移[8]，保证了物面测点在测量过程中的唯一性。光经过被测物面点反射，经过物镜镜头和像散镜组，到达 CCD 摄像机构成系统探测光路，由于物镜镜头与像散镜组构成远心光路，避免了 CCD 　　并行光场随着物面的轴向移动产生横向漂移[8]。由于管镜焦距与柱面镜焦距均为 200 mm，从而实现点光源阵列、物面测点阵列与像面光场阵列的共轭关系。