一種激光差動共焦顯微測控系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于共焦顯微領域，尤其涉及一種激光差動共焦顯微測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能良好，性能穩(wěn)定，具有高分辨率、高精度、絕對位置瞄準、雙極性跟蹤能力及測量范圍大等優(yōu)點，可以廣泛應用于生物醫(yī)學工程、材料工程、微電子制造、基因工程和精密測量等領域。
【背景技術】
[0002]隨著航空航天、汽車工業(yè)和先進制造業(yè)的飛速發(fā)展，對大尺寸自由曲面高精度實時三維形貌測量的要求越來越迫切。傳統(tǒng)的接觸式形貌測量方法測量范圍有限，容易對被測物體表面造成損傷，而且測量速度慢、效率低，測量過程難以實現(xiàn)自動化。光學非接觸三維形貌測量由于具有非接觸、自動化、高精度、高效率等優(yōu)點，被廣泛應用于工件的加工制造、缺陷檢測和文物保護等領域。隨著激光技術、計算機技術的不斷發(fā)展，20世紀80年代第一臺商業(yè)化共焦顯微鏡問世，真正實現(xiàn)了三維立體成像。共焦顯微鏡具有極其明顯的優(yōu)點:共焦顯微鏡能對物體的不同層面進行逐層掃描，從而獲得大量的物體斷層圖像；獲得的數(shù)據(jù)可以利用計算機進行圖像處理；同時，共焦顯微鏡具有較高的橫向分辨率和縱向分辨率；對于透明和半透明物體，可以得到其內(nèi)部的結構圖像；還可以對活體細胞進行觀察，獲取活細胞內(nèi)的信息，并對獲得的信息進行定量分析。
[0003]相比較傳統(tǒng)的光學顯微技術，共焦光路可以進行三維成像，其軸向定位測量主要通過其“鐘形”軸向定焦曲線實現(xiàn)，但現(xiàn)有共焦光路利用光強度響應直接進行測量時，存在多方面不足，如信噪比低，易受環(huán)境背景光干擾；線性度差，易受強度響應曲線ab段的非線性影響，降低層析精度；測量無絕對零點，不便于進行絕對跟蹤測量；易受樣品傾斜和表面粗糙特性影響，不利于微納尺度的高精度測量；橫向分辨能力與軸向分辨力不匹配，軸向分辨能力已達納米量級，而橫向分辨力僅達0.4 μ m左右(針對可見光)，其結果嚴重限制了共焦顯微系統(tǒng)空間分辨能力的提高等等。
[0004]由于存在上述原理性缺陷，現(xiàn)有共焦顯微鏡已不能滿足當代科學研究對光學高分辨和高層析成像能力的測量需求，在日益精細的微光機電微納器件測試、集成電路晶圓及掩模板的幾何尺寸及缺陷檢測、激光核聚變空心透明靶球內(nèi)外輪廓及壁厚高分辨檢測、材料亞表面缺陷檢測等眾多測試領域，不僅要求共焦顯微系統(tǒng)具有極高的軸向分辨能力，而且還要求具有極高的橫向分辨能力，并且在某些場合還要求能進行層析成像，即對透明樣品內(nèi)外精細幾何尺寸進行高分辨成像。因而，改善共焦顯微系統(tǒng)分辨能力和層析成像能力，成為顯微成像技術領域亟待解決的理論和技術問題，對促進微光機電技術、生化技術、生物醫(yī)學、微電子學和材料學等高新領域研究具有重要推動作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述現(xiàn)有技術存在的缺陷和不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種激光差動共焦顯微測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能良好，性能穩(wěn)定，具有高分辨率、高精度、絕對位置瞄準、雙極性跟蹤能力及測量范圍大等優(yōu)點，可以廣泛應用于生物醫(yī)學工程、材料工程、微電子制造、基因工程和精密測量等領域。
[0006]為了實現(xiàn)上述任務，本發(fā)明采用如下的技術解決方案:
一種激光差動共焦顯微測控系統(tǒng)，其特征在于，包括光強傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、主控計算機以及顯示系統(tǒng)，所述光強傳感系統(tǒng)將光強轉化為容易處理的電壓信號，由所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得，同時交給所述主控計算機進行數(shù)據(jù)處理；該主控計算機通過控制系統(tǒng)對所述掃描系統(tǒng)進行控制，實現(xiàn)對樣品的掃描，同時，所述采集系統(tǒng)獲得此時的位置信號交給主控計算機，主控計算機處理完成后由所述顯示系統(tǒng)進行顯示輸出。
[0007]在該激光差動共焦顯微測控系統(tǒng)中，所述控制系統(tǒng)包括二維平移臺控制單元、物鏡驅動控制單元、激光控制單元、白光控制單元以及供電單元，該二維平移臺控制單元選用P-563.3CD型納米平移臺，該物鏡驅動控制單元選用P-725.4CD型物鏡驅動器，所述物鏡驅動控制單元和二維平移臺控制單元通過USB串口與主控計算機連接；所述激光控制單元選用長春新產(chǎn)業(yè)激光有限公司405nm帶光纖耦合激光器，該激光控制單元通過RS232串口與主控計算機相連；所述的白光控制單元選用直流調(diào)壓光纖光源GC1-0601完成光源亮度從0%到100%連續(xù)可調(diào)，該白光控制單元中的白光CXD通過USB串口與主控計算機相連。
[0008]在該激光差動共焦顯微測控系統(tǒng)中，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡選用X系列PC1-e總線型N1-6353，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、模擬輸出以及數(shù)字輸出功能，通過數(shù)據(jù)采集功能獲取光強信息和位置信息，使用模擬輸出功能和數(shù)字輸出功能實現(xiàn)掃描控制；該測控系統(tǒng)使用物面掃描方式，將樣品置于載物臺上，通過對載物臺的控制實現(xiàn)二維掃描；該測控系統(tǒng)使用壓電陶瓷驅動的物鏡驅動器進行軸向掃描，二維掃描與軸向掃面的部件都有對應的位置傳感器輸出與位置相關的電壓信號。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:
本測控系統(tǒng)包括兩種信號:控制信號和數(shù)據(jù)信號?？刂菩盘柊?樣品掃描運動控制信號(平面掃描和軸向掃描)，模式切換控制信號以及激光控制信號。數(shù)據(jù)信號包括:光強信號和樣品位置信號。運動控制信號由工控機通過USB端口控制運動控制器控制二維平移臺和物鏡驅動器的運動，另外，模擬控制信號由多功能數(shù)據(jù)采集發(fā)出，通過BNC接口連接到運動控制器，控制運動。模式切換控制信號由多功能數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字輸出端發(fā)出，控制繼電器，繼而控制白光的導通與關閉，以配合白光模式和激光模式的轉換。工控機通過RS232通信端口控制激光器的開關與功率控制。光強信號包括前焦光強信號和后焦光強信號，位置信號包括平移臺位置信號(X，Y位置)和軸向位置信號(Z位置)，這寫信號都是由數(shù)據(jù)采集卡進行采集通過PC1-e總線傳送給上位機。
[0010]測量時，首先通過顯微鏡底座升降臺調(diào)整樣品位置進行粗調(diào)，然后使用物鏡驅動器進行微調(diào)。設定好掃描位置后，進行掃描模式和掃描參數(shù)的設置，點擊開始掃描，系統(tǒng)開始掃描，在掃描過程中，將獲取到的信號經(jīng)過位圖顯示進行實時顯示，直至掃描任務結束。掃描結束后，進入數(shù)據(jù)處理模塊完成三維重建。檢測結果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠獲得清晰的樣品掃描圖像，并且能夠根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)信息進行三維重建。
【附圖說明】
[0011]以下結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的解釋說明。
[0012]圖1是測控系統(tǒng)總體框圖； 圖2是顯微鏡測控結構圖；
圖3是差動共焦顯微鏡控制箱結構；
圖4是控制器內(nèi)部寄存器結構；
圖5是控制方式轉換結構圖；
圖6是軟件系統(tǒng)功能模塊簡圖；
圖7是白光觀察測控流程。
【具體實施方式】
[0013]本發(fā)明的測控系統(tǒng)包括六個系統(tǒng):光強傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、主控計算機以及顯示系統(tǒng)。光強傳感系統(tǒng)將光強轉化為容易處理的電壓信號，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得，同時交給主控計算機進行數(shù)據(jù)處理。另一方面，主控計算機通過控制系統(tǒng)對掃描系統(tǒng)進行控制，實現(xiàn)對樣品的掃描，同時，采集系統(tǒng)獲得此時的位置信號交給主控計算機。主控計算機處理完成后由顯示系統(tǒng)進行顯示輸出，測控系統(tǒng)總體框如圖1所示。
[0014]通過分析，本測控系統(tǒng)使用物面掃描方式，樣品置于載物臺上，通過對載物臺的控制實現(xiàn)二維掃描，使用壓電陶瓷驅動的物鏡驅動器進行軸向掃描，同時，這兩個部件都有對應的位置傳感器輸出與位置相關的電壓信號。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部件是多功能數(shù)據(jù)采集卡，多功能卡有三個功能:數(shù)據(jù)采集、模擬輸出以及數(shù)字輸出。通過數(shù)據(jù)采集功能獲取光強信息和位置信息，使用模擬輸出功能和數(shù)字輸出功能實現(xiàn)掃描控制，系統(tǒng)顯微鏡測控結構如圖2所示，圖中虛線為控制信號，實線為測量信號。
[0015]物鏡驅動器帶動物鏡Z向運動，用于實現(xiàn)Z向掃描。驅動器控制器通過USB串口與工控機連接，可以通過軟件命令驅動物鏡Z向運動，讀取當前位置，也可以通過數(shù)據(jù)采集卡模擬輸出功能，驅動物鏡按一定波形運動，通過模擬輸入功能采集當前驅動器的位置傳感信號。二維平移臺帶動樣品在X/Y方向上運動，實現(xiàn)平面掃描。連接與測控方法與物鏡驅動相同。
[0016]數(shù)據(jù)采集卡裝入工控機內(nèi)部，通過總線技術將采到的數(shù)據(jù)傳送到工控機內(nèi)存。同時，使用總線技術，將工控機內(nèi)存中的數(shù)據(jù)串寫入板載緩存中，進而發(fā)出對應的波形信號，數(shù)據(jù)采集與模擬輸出過程以外部觸發(fā)脈沖的上升沿或下降沿作為開始標志，以此作為兩個任務的同步信號。同時，使用數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字輸出功能產(chǎn)生TTL電平控制繼電器的通斷以此實現(xiàn)白光的上層控制。激光控制器通過RS232串口與工控機相連，可以通過軟件命令改變激光功率，讀取當前功率。
[0017]利用差動共焦曲線的過零點可以實現(xiàn)系統(tǒng)的實時采集。為了配合系統(tǒng)的過零點的實時采集，設計了過零觸發(fā)模塊，該系統(tǒng)采用硬件過零觸發(fā)瞄準測量的方法，硬件過零觸發(fā)瞄準測量的方法，其原理是通過對差動共焦軸向響應曲線進行過零比較，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，利用觸發(fā)脈沖作為控制信號，結合微位移驅動技術，精確獲取差動共焦顯微測量系統(tǒng)物鏡的高精度定位，同時為了提高抗干擾能力，研究了使用光強閾值控制比較器使能的方法來判斷傳感器光強信號是否可信。由于共焦響應存在旁瓣信號以及樣品遠離物鏡焦點位置時接近于零的探測器信號，將會引起虛假的過零觸發(fā)信號。為了避免這些信號的