激光干涉共焦显微镜

　　1　共焦显微镜原理

　　共焦显微镜的原理如图1所示,光通过一个长焦透镜后形成发散光束、进入一个短焦物镜投射到被测物表面,并反射回短焦物镜,由分光镜反射并通过一个小孔光阑后进入光电接收器。小孔光阑的位置正好在长焦透镜的焦点上,构成共焦关系。如果测量点正好位于物镜焦点上,从光电接收器可以得到最大的信号,如果测量点偏离焦点,信号迅速变小,所以它可以以高分辨率进行分层扫描,得到高精度三维立体图像。共焦显微镜的位移扫描方式较多,对于快速测量可以采用电光器件或转动镜等光学扫描方式,对于高精度测量可以采用被测物位移扫描方式,此时同时驱动物镜,在Z向获得高测量分辨率,这种方式主要用在工业测量领域中。共焦显微镜的特点是系统结构简单、技术比较成熟、测量结果与被测物的材料基本无关,因此不仅适用于三维结构观测,同时显微镜光学系统分别构成共焦显微镜和光学显微镜,同时拟在光路系统中装入目镜系统以利观察和被测物的调整及对测量结果进行分析、比较。

　　经典的激光扫描共焦显微镜由于数值孔径和光源波长的限制,其Z向分辨率的半高整宽度为

式中:λ—激光波长;α—sinα是物镜的数值孔径。

　　由于被测物件测量面的反射率、粗糙度等因素的影响,共焦显微镜的分辨率和测量不确定度远远低于接触式传感器,通常其分辨率大于0.01μm,不确定度为0.1μm。

　　2　激光干涉扫描共焦显微镜原理

　　图2为激光干涉扫描共焦显微镜光学原理图,图3为电器系统图。

　　塞曼双频激光器发出的激光经透镜1、光阑1和透镜2成为直径5 mm的光束,光束在分光镜1分成两部分,反射部分经偏振片1、透镜3至光电探测器1,从而获得干涉仪的参考信号。透射部分被偏振分光镜1分成具有不同光频率的两束光,他们分别经λ/4波片、物镜聚焦在被测物表面和参考镜上,然后反射光按原路返回至偏振分光镜1后,向上通过λ/2波片、透镜4、分光镜2使光束分成两部分,向左部分经偏振片由光电探测器2接收获得位移干涉信号,把干涉仪参考信号和位移信号送入相位比较仪,我们就可以得到一个精确的位移测量值。向上部分至偏振分光镜2再次使光束分成两部分,向上部分通过偏振片3和目镜用于观察,向左的光束聚焦在光阑2上,由光阑2后的光电探测器3接收其光强信号,它即为共焦信号。通过共焦信号和干涉仪位移信号比较,我们可驱动PZT带动物镜移动使光路保持在共焦位置上。

　　X、Y、Z大范围移动由三维数控工作台驱动,其工作范围为:100 mm×100 mm×50 mm,分辨率0.5μm。我们使用德国PI公司的二维超精工作台用于X、Y扫描,其分辨率为1 nm,扫描范围为100μm×100μm,在计算机控制下,激光扫描共焦显微镜可对被测物进行逐点扫描测量,获得被测物的三维形貌图。