非扫描并行三维共焦检测技术综述

　　1　引　　言

　　随着现代科技的高速发展,对零件的三维面形进行快速准确的检测,成为现代测试方法和仪器研究的重要课程。共焦测量方法由于其高精度、高分辨率及易于实现三维成像数字化的独特优势而被广泛应用[1～3]。共焦三维轮廓检测中,传统的是采用飞点扫描法,其典型产品是共焦激光扫描显微镜(CLSM),现已商品化[4,5],在世界上有多家公司已生产,广泛应用于医学、生物、半导体领域。但是传统的共焦测量大多采用单点瞄准加扫描的方法来实现二维瞄准,但扫描机构较为复杂,价格昂贵,且振动的影响限制了测量精度和速度的提高。

　　近年来,一种非扫描三维全场共焦技术引起各国专家的普遍关注[6～8],并进行了大量的研究,取得了一定的成果。这种方法通过微光学器件,实现对光束的分割,从单点扫描变为多路并行探测,同步对被测表面的不同点进行瞄准检测,从而实现全场同步测量。本文介绍国内外并行三维共焦检测技术的研究进展。

　　2　国外全场共焦研究的概况

　　国外在共焦检测技术方面的研究比较早,在理论和应用方面都有较大的进展。其中以C.J.R.Shep-pard,M.Gu和T.Wilson为代表的,提出了飞点剖面扫描获取全场三维深度信息的新概念[9,10],将共焦技术应用到全场三维面形检测领域;以R.H.Webb和F.J.Rogomentich为代表主要进行扫描共焦实验系统的研究[11]。C.H.Lee等提出的差分共焦显微术[12],利用共焦扫描显微镜的轴向响应和差分数值分析的非干涉测量方法,可应用于表面形貌测量,纵向分辨率可达纳米量级;以及R.D.Holmes等人提出的干涉与共焦相结合的干涉共焦显微镜[13],但都不是并行共焦检测。目前国外非扫描并行全场共焦检测方法的研究,主要是采用Nipkow转盘和微光学器件进行并行共焦检测[14～16]。下面对几种典型的非扫描并行共焦测量进行介绍。

　　2.1　Nipkow转盘法

　　Nipkow转盘法最早由M.Petran等人在20世纪60年代提出,并由G.Q.Xiao等人在20世纪80年代改进[14],结构原理如图1所示。该方法的关键是在高速旋转的Nipkow转盘上呈螺旋状周期分布的针孔阵列,每一时刻被测面被不同针孔处的光源所照明,相应地观察到的共焦剖面像也就是与被测物剖面上与照明针孔共轭的一些离散点,由于Nipkow转盘的高速旋转以及针孔阵列的螺旋状分布,这些离散点在被测物剖面快速扫描,对眼睛或其它光电信号接收器件形成积分效应,给人一种观察到整场剖面的感觉。这种方法由于实现了一维多点并行探测,所以比传统单点扫描的速度高。但是Nipkow转盘上只有一组组针孔是透光的,来自光源的光大部分被转盘阻挡,光能利用率低;此外,Nipkow转盘仍需在剖面上进行一维扫描,转动带来的振动误差影响测量的精度,且Nipkow转盘的制作较复杂。