多光束并行共焦探测系统特性的研究

　　1　引　言

　　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,因此在生物医学研究、微细加工和半导体检测等领域获得广泛应用[1,2]。共焦三维轮廓检测中,传统采用的是飞点扫描法,其典型设备是共焦激光扫描显微镜(CLSM),它采用单点瞄准加扫描的方法来实现三维测量,能够对样品作非接触的分层扫描成像,现已发展为较成熟的商品化仪器。但是此方法中扫描机构较为复杂,而且振动的影响限制了测量精度和速度的提高,不适应目前大规模快速在线检测的需求。

　　近年来,一种基于微光学器件的非扫描并行共焦技术引起各国专家的普遍关注[3~5]。这种方法通过微光学器件(如微透镜阵列)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。采用面阵探测器(如CCD)上的像元代替小孔光阑来截取共焦点像的光强,图1为并行共焦检测的原理图。目前对扫描共焦显微术的理论和实验研究较多,而多光束并行共焦系统的特性与单点扫描共焦是有差别的。本文在与传统单点扫描共焦系统比较的基础上,针对并行共焦探测技术的特点分析影响其特性的各种因素,并讨论改善系统性能指标的各项途径。

　　2　横向分辨率与测量范围

　　并行共焦系统的横向分辨率是由横向采样间距直接决定的。根据采样定律,采样间距要与被测对象的周期相匹配:过采样,即采样间隔远小于被测对象周期,增加了系统的冗余度;欠采样,即采样间距远大于被测对象的周期,会导致系统信息的丢失。

　　以图1基于微透镜阵列的并行共焦系统为例来分析,横向采样间距又由微透镜阵列周期和光学系统的横向放大率决定,而微透镜阵列周期又与微透镜阵列的单元尺寸有关。微透镜单元尺寸过大,横向采样间距偏大,三维信息会有损失,图像难以恢复;横向采样间距过小,会增大信息的冗余度,且透镜制作困难。因此,不能直接依靠减小微透镜单元尺寸的方法来获得很高的横向分辨率,但可以借助工作台的横向微动和插值方法来解决。以图1所示的并行共焦探测系统而言,其横向分辨率C可以表示为:

式中,β为光学系统的横向放大率,T为微透镜阵列的周期。我们可根据测量对象的要求来确定横向分辨率,再由式(1)确定所需的微透镜阵列的周期和光学系统的放大率。

　　横向测量范围M由微透镜阵列的大小和光学系统放大率决定

式中,N为微透镜阵列的尺寸。如图1的系统,若微透镜阵列为42×42,单透镜直径为100μm,则微透镜阵列的边长为42×100μm=4.2 mm,即微透镜阵列的尺寸N为4.2 mm×4.2 mm;若光学系统的放大率为2,则最大测量范围为8.4 mm×8.4 mm。相对于常规共焦扫描显微镜的横向测量范围(一般小于0.5 mm×0.5 mm),并行共焦测量系统的横向测量范围已经大了2个数量级。