《基于差动双光子方法测量光滑自由曲面样品装置和方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于差动双光子方法测量光滑自由曲面样品装置和方法.pdf（8页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 104296688 A (43)申请公布日 2015.01.21 C N 1 0 4 2 9 6 6 8 8 A (21)申请号 201410617222.8 (22)申请日 2014.11.05 G01B 11/24(2006.01) (71)申请人哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街92号 (72)发明人刘俭 谭久彬 张贺 刘辰光 (74)专利代理机构哈尔滨市伟晨专利代理事务 所(普通合伙) 23209 代理人张伟 (54) 发明名称 基于差动双光子方法测量光滑自由曲面样品 装置和方法 (57) 摘要 基于差动双光子方法测量光滑自由。
2、曲面样品 装置和方法属于光学显微测量领域；该装置包括 飞秒激光器、传导光纤、准直物镜、二向色镜、聚焦 物镜、镀膜样品、三维微位移载物台、滤光片、收集 物镜、分光棱镜、第一针孔、第一光电探测器、第二 针孔和第二光电探测器。本发明利用飞秒激光器 经传导光纤和准直物镜得到平行光，再经二向色 镜和聚焦物镜将光束聚焦到放置在三维微位移载 物台上的镀膜样品上，聚焦光斑非线性激发荧光 膜发出荧光，经第一光电探测器和第二光电探测 器收集后，两路信号进行差分运算得到差动响应 曲线，通过差动响应曲线零点确定镀膜样品表面 位置。采用发明装置与方法测量光滑自由曲面，可 以测量法线与光轴方向夹角大的样品表面形貌。 (5。
3、1)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书4页 附图1页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 104296688 A CN 104296688 A 1/2页 2 1.基于差动双光子方法测量光滑自由曲面样品装置，其特征在于，包括：激发模块、差 动成像模块和镀膜样品(6)； 所述的激发模块包括：飞秒激光器(1)、传导光纤(2)、准直物镜(3)；在飞秒激光器 (1)之后依次配置传导光纤(2)和准直物镜(3)； 所述的差动成像模块包括：二向色镜(4)、聚焦物镜(5)、三维微位移载物台(7)、滤光 片(8)、收集物镜。
4、(9)、分光棱镜(10)、第一针孔(11)、第一光电探测器(12)、第二针孔(13) 和第二光电探测器(14)；在二向色镜(4)的反射光路上依次配置聚焦物镜(5)和三维微位 移载物台(7)，在二向色镜(4)透射光路上配置滤光片(8)、收集物镜(9)、分光棱镜(10)、 第一针孔(11)、第一光电探测器(12)、第二针孔(13)和第二光电探测器(14)；所述的第一 针孔(11)位于收集物镜(9)焦面之后z处，第二针孔(13)位于收集物镜(9)焦面之前 z处； 所述的镀膜样品(6)为表面镀了荧光物质薄膜的待测样品； 所述的激发模块中的飞秒激光器(1)发出激发光，经过传导光纤(2)和准直物镜(3) 。
5、之后形成平行光，平行光束经过二向色镜(4)反射和聚焦物镜(5)透射后在镀膜样品(6) 上形成聚焦光斑，所述的聚焦光斑激发镀膜样品(6)表面的荧光膜发出荧光；处于焦平面 的荧光膜非线性激发出荧光，处于焦平面以上或以下的荧光膜不发出荧光； 所述的镀膜样品(6)表面激发出的荧光经过聚焦物镜(5)、二向色镜(4)、滤光片(8)、 收集物镜(9)透射后被分光棱镜(10)分为两束光，一束光经过第一针孔(11)被第一光电 探测器(12)收集，另一束光经过第二针孔(13)被第二光电探测器(14)收集。 2.根据权力要求1所述的基于差动双光子方法测量光滑自由曲面样品装置，其特征在 于，所述的镀膜样品(6)表面通。
6、过蒸镀的方法镀上一层荧光膜，所述的荧光膜易溶于水或 有机溶剂，厚度不超过1m。 3.基于差动双光子方法测量光滑自由曲面样品方法，其特征在于，包括以下步骤： (a)通过蒸镀的方法在样品表面形成一层厚度不超过1m的荧光膜，所述的荧光膜与 样品轮廓紧密贴合，形成镀膜样品(6)； (b)飞秒激光器(1)发出激发光，经过传导光纤(2)和准直物镜(3)之后形成平行光， 平行光束经过二向色镜(4)反射和聚焦物镜(5)透射后在镀膜样品(6)上形成聚焦光斑， 所述的聚焦光斑激发镀膜样品(6)表面的荧光膜发出荧光；处于焦平面的荧光膜非线性激 发出荧光，处于焦平面以上或以下的荧光膜不发出荧光； (c)荧光膜激发出的。
7、荧光经过第一光电探测器(12)和第二光电探测器(14)收集后， 两路信号进行差分运算得到差动响应曲线，通过差动响应曲线零点来确定镀膜样品表面位 置； 对于所获得的两路差动信号可以进行两种计算处理： 对两路信号进行差动计算： 其中I D1 表示差动计算时系统的强度响应函数，U D 表示双通照明下系统的振幅响应函 权 利 要 求 书CN 104296688 A 2/2页 3 数,x s 和z s 表示位置坐标，z表示探测器离焦量，c 0 表示信号中的共模噪声； 对两路信号进行抗串扰计算： 其中I D2 表示抗串扰计算时系统的强度响应函数； (d)三维微位移载物台(7)带动镀膜样品(6)三维移动，形。
8、成三维扫描成像； (e)使用水或有机溶剂清洗掉样品表面的荧光膜。 权 利 要 求 书CN 104296688 A 1/4页 4 基于差动双光子方法测量光滑自由曲面样品装置和方法 技术领域 0001 基于差动双光子方法测量光滑自由曲面样品装置和方法属于光学显微测量领域。 背景技术 0002 对于光滑自由曲面表面样品，在法线与光轴方向夹角大的区域，由于照明到样品 表面的光因镜面反射而无法被完全收集，或几乎无法被收集，所以其表面形貌无法高精度 测量，甚至无法测量。因而如何高精度测量具有较大斜率的光滑自由曲面的样品成了光学 测量领域的一个难题。 0003 双光子显微成像装置由W.Denk,J.H.St。
9、rickler和W.W.Webb提出(W.Denk,J. H.Strickler and W.W.Webb(1989)，Two-photon lasers canning fluorescence microscopy，Science，248(4951):7376)，其基本思想是使用脉冲激光照射生物细胞中 的荧光物质，荧光物质被脉冲激光光斑非线性激发，处于焦平面上的荧光物质发出荧光信 号，处于焦平面外的荧光物质不发出荧光信号，从而实现对生物细胞的层析成像。由于工业 测量领域的测量对象无法发出荧光，所以双光子显微成像装置主要应用在生物显微成像领 域，目前尚未有应用在工业样品形貌测量的先例。即使将。
10、双光子显微镜简单地移植到工业 样品形貌测量领域，也无法克服光束在具有光滑自由曲面的样品表面产生镜面反射导致的 收集信号光强极弱的问题。 0004 差动共焦扫描测量是典型的改进型共焦测量方法之一。差动共焦扫描测量包括 具有高空间分辨成像能力的共焦干涉显微镜(公开号CN1614457A)、具有高空间分辨力的 整形环形光束式差动共焦传感器(公开号CN1529123A)、三差动共焦显微成像方法与装 置(公开号CN1587898A)、三差动共焦显微三维超分辨成像方法(公开号CN1609590A)、 三维超分辨共焦阵列扫描显微探测方法及装置(公开号CN1632448A)、整形环形光三差动 共焦显微镜(公开。
11、号CN1588157A)、具有高空间分辨力的差动共焦扫描检测方法(公开号 CN1527026A)等，差动共焦测量系统将两个共焦点探测器分别置于像方等距离的远离焦和 近离焦平面，通过强度响应的差动计算获得双极性响应特性，产生跟踪零点，克服了传统共 焦只能进行相对位置测量的不足。该技术相对传统共焦显微技术显著提高了信噪比，并且 轴向分辨率与测量范围均为传统共焦显微技术的二倍，尤其在零点位置测量更加准确。但 传统差动共焦测量技术仍然难以通过充分收集光滑自由曲率表面样品的反射信号来提高 信噪比，从而实现高精度测量光滑自由曲率表面样品形貌的目的。 发明内容 0005 本发明的目的就是针对上述传统方法难以。
12、测量具有较大斜率的光滑自由曲面样 品形貌的问题，提出了一种基于差动双光子方法测量光滑自由曲面样品装置和方法，在光 滑自由曲面样品表面镀上一层荧光膜，利用荧光膜在激光照射下向各个方向辐射出荧光的 特性，避免了光束在光滑自由曲面发生镜面反射导致信号光难以收集的问题；同时，采用双 光子激发原理，使用飞秒脉冲激光非线性激发荧光物质，提高层析成像效果；采用差动探测 说 明 书CN 104296688 A 2/4页 5 结构，将收集到的两路信号进行差分运算得到差动响应曲线，通过差动响应曲线零点来确 定样品表面位置，最终解决测量具有较大斜率的光滑自由曲面样品形貌的问题。 0006 本发明的目的是这样实现的：。
13、 0007 基于差动双光子方法测量光滑自由曲面样品装置，包括：激发模块、差动成像模块 和镀膜样品； 0008 所述的激发模块包括：飞秒激光器、传导光纤、准直物镜；在飞秒激光器之后依次 配置传导光纤和准直物镜； 0009 所述的差动成像模块包括：二向色镜、聚焦物镜、三维微位移载物台、滤光片、收集 物镜、分光棱镜、第一针孔、第一光电探测器、第二针孔和第二光电探测器；在二向色镜的反 射光路上依次配置聚焦物镜和三维微位移载物台，在二向色镜透射光路上配置滤光片、收 集物镜、分光棱镜、第一针孔、第一光电探测器、第二针孔和第二光电探测器；所述的第一针 孔位于收集物镜焦面之后z处，第二针孔位于收集物镜焦面之前。
14、z处； 0010 所述的镀膜样品为表面镀了荧光物质薄膜的待测样品； 0011 所述的激发模块中的飞秒激光器发出激发光，经过传导光纤和准直物镜之后形成 平行光，平行光束经过二向色镜反射和聚焦物镜透射后在镀膜样品上形成聚焦光斑，所述 的聚焦光斑激发镀膜样品表面的荧光膜发出荧光；处于焦平面的荧光膜非线性激发出荧 光，处于焦平面以上或以下的荧光膜不发出荧光； 0012 所述的镀膜样品表面激发出的荧光经过聚焦物镜、二向色镜、滤光片、收集物镜透 射后被分光棱镜分为两束光，透射光经过第一针孔被第一光电探测器收集，反射光经过第 二针孔被第二光电探测器收集。 0013 上述基于差动双光子方法测量光滑自由曲面样品。
15、装置，所述的镀膜样品表面通过 蒸镀的方法镀上一层荧光膜，所述的荧光膜易溶于水或有机溶剂，厚度不超过1m。 0014 在上述基于差动双光子方法测量光滑自由曲面样品装置上实现的基于差动双光 子方法测量光滑自由曲面样品方法，包括以下步骤： 0015 (a)通过蒸镀的方法在样品表面形成一层厚度不超过1m的荧光膜，所述的荧光 膜与样品轮廓紧密贴合，形成镀膜样品； 0016 (b)飞秒激光器发出激发光，经过传导光纤和准直物镜之后形成平行光，平行光束 经过二向色镜反射和聚焦物镜透射后在镀膜样品上形成聚焦光斑，所述的聚焦光斑激发镀 膜样品表面的荧光膜发出荧光；处于焦平面的荧光膜非线性激发出荧光，处于焦平面以上。
16、 或以下的荧光膜不发出荧光； 0017 (c)荧光膜激发出的荧光经过第一光电探测器和第二光电探测器收集后，两路信 号进行差分运算得到差动响应曲线，通过差动响应曲线零点来确定镀膜样品表面位置； 0018 对于所获得的两路差动信号可以进行两种计算处理： 0019 对两路信号进行差动计算： 0020 I D1 (x s ,z s )(|U D (x s ,z s ,z)| 2 +c 0 )-(|U D (x s ,z s ,-z)| 2 +c 0 ) 0021 |U D (x s ,z s ,z)| 2 -|U D (x s ,z s ,-z)| 2 0022 其中I D1 表示差动计算时系统的强度。
17、响应函数，U D 表示双通照明下系统的振幅响 应函数,x s 和z s 表示位置坐标，z表示探测器离焦量，c 0 表示信号中的共模噪声； 0023 对两路信号进行抗串扰计算： 说 明 书CN 104296688 A 3/4页 6 0024 0025 其中I D2 表示抗串扰计算时系统的强度响应函数； 0026 (d)三维微位移载物台带动镀膜样品三维移动，形成三维扫描成像； 0027 (e)使用水或有机溶剂清洗掉样品表面的荧光膜。 0028 本发明的良好效果在于： 0029 1)通过对待测样品镀上荧光膜的方式，克服了传统共焦方法等非接触光学测量技 术受光束在光滑自由曲面样品表面发生镜面反射的限制。
18、，基于差动双光子方法测量光滑自 由曲面样品装置和方法可以实现对具有较大斜率的光滑自由曲面样品的形貌测量，实现对 样品侧面反射的信号光的收集。 0030 2)将双光子显微技术应用到工业测量领域，有利于提高对样品轮廓的层析能力。 0031 3)采用像方等距离焦探测，测量结果处理后能有效抑制共模噪声或串模噪声。 附图说明 0032 图1是基于差动双光子方法测量光滑自由曲面样品装置结构示意图。 0033 图中件号说明：1、飞秒激光器、2、传导光纤、3、准直物镜、4、二向色镜、5、聚焦物 镜、6、镀膜样品、7、三维微位移载物台、8、滤光片、9、收集物镜、10、分光棱镜、11、第一针孔、 12、第一光电探。
19、测器、13、第二针孔、14、第二光电探测器。 具体实施方式 0034 下面结合附图对本发明实施例进行详细说明。 0035 具体实施例一 0036 本实施例为装置实施例。 0037 本实施例的基于差动双光子方法测量光滑自由曲面样品装置，结构示意图如图1 所示。该装置包括：激发模块、差动成像模块和镀膜样品6； 0038 所述的激发模块包括：飞秒激光器1、传导光纤2、准直物镜3；在飞秒激光器1之 后依次配置传导光纤2和准直物镜3； 0039 所述的差动成像模块包括：二向色镜4、聚焦物镜5、三维微位移载物台7、滤光片 8、收集物镜9、分光棱镜10、第一针孔11、第一光电探测器12、第二针孔13和第二光。
20、电探测 器14；在二向色镜4的反射光路上依次配置聚焦物镜5和三维微位移载物台7，在二向色镜 4透射光路上配置滤光片8、收集物镜9、分光棱镜10、第一针孔11、第一光电探测器12、第 二针孔13和第二光电探测器14；所述的第一针孔11位于收集物镜9焦面之后z处，第 二针孔13位于收集物镜9焦面之前z处； 0040 所述的镀膜样品6为表面镀了荧光物质薄膜的待测样品； 0041 上述基于差动双光子方法测量光滑自由曲面样品装置，所述的镀膜样品6通过蒸 说 明 书CN 104296688 A 4/4页 7 镀的方法镀上一层荧光膜，所述的荧光膜易溶于水或有机溶剂，厚度不超过1m； 0042 测量使用时： 。
21、0043 激发模块中的飞秒激光器1发出激发光，经过传导光纤2和准直物镜3之后形成 平行光，平行光束经过二向色镜4反射和聚焦物镜5透射后在镀膜样品6上形成聚焦光斑， 所述的聚焦光斑激发镀膜样品6表面的荧光膜发出荧光；处于焦平面的荧光膜非线性激发 出荧光，处于焦平面以上或以下的荧光膜不发出荧光； 0044 镀膜样品6表面激发出的荧光经过聚焦物镜5、二向色镜4、滤光片8、收集物镜9 透射后被分光棱镜10分为两束光，透射光经过第一针孔11被第一光电探测器12收集，反 射光经过第二针孔13被第二光电探测器14收集。 0045 具体实施例二 0046 本实施例为在具体实施例一所述装置上实现的方法实施例。 。
22、0047 本实施例的基于差动双光子方法测量光滑自由曲面样品方法，包括以下步骤： 0048 (a)通过蒸镀的方法将易溶于水的荧光材料罗丹明B镀到样品表面，形成一层厚 度不超过1m的荧光膜，所述的荧光膜与样品轮廓紧密贴合，形成镀膜样品6； 0049 (b)飞秒激光器1发出激发光，经过传导光纤2和准直物镜3之后形成平行光，平 行光束经过二向色镜4反射和聚焦物镜5透射后在镀膜样品6上形成聚焦光斑，所述的聚 焦光斑激发镀膜样品6表面的荧光膜发出荧光；处于焦平面的荧光膜非线性激发出荧光， 处于焦平面以上或以下的荧光膜不发出荧光； 0050 (c)荧光膜激发出的荧光经过第一光电探测器12和第二光电探测器14。
23、收集后， 两路信号进行差分运算得到差动响应曲线，通过差动响应曲线零点来确定镀膜样品表面位 置； 0051 对于所获得的两路差动信号可以进行两种计算处理： 0052 对两路信号进行差动计算： 0053 I D1 (x s ,z s )(|U D (x s ,z s ,z)| 2 +c 0 )-(|U D (x s ,z s ,-z)| 2 +c 0 ) 0054 |U D (x s ,z s ,z)| 2 -|U D (x s ,z s ,-z)| 2 0055 其中I D1 表示差动计算时系统的强度响应函数，U D 表示双通照明下系统的振幅响 应函数,x s 和z s 表示位置坐标，z表示探测器离焦量，c 0 表示信号中的共模噪声； 0056 对两路信号进行抗串扰计算： 0057 0058 其中I D2 表示抗串扰计算时系统的强度响应函数； 0059 (d)三维微位移载物台7带动镀膜样品6三维移动，形成三维扫描成像； 0060 (e)使用水或有机溶剂清洗掉样品表面的罗丹明B荧光膜。 说 明 书CN 104296688 A 1/1页 8 图1 说 明 书 附 图CN 104296688 A 。