微纳结构图形试样的自动对焦装置及方法

技术领域

本发明涉及高透明度、高复杂度微纳结构图形试样的高速对焦领域，是一种基于透射激光光斑直径检测离焦量的高速高精度高适应性对焦控制装置及方法，可用于高透明度、高复杂度微纳结构图形试样的自动对焦。

背景技术

在对微纳结构光学元件及存储载体等进行显微成像与信息读取时，高速的自动对焦技术对提高读取效率具有重要意义。现有的自动对焦技术，根据其原理，主要分为基于图像处理技术进行范围搜索并进行对焦评价的方式，以及基于辅助光斑进行离焦量检测计算并对焦的方式。基于图像处理技术的方法需要在整个聚焦范围内进行搜索，并进行大量的图像处理运算来确定焦面位置，对焦过程耗时较长；基于辅助光斑进行离焦量检测并对焦的方式通常会将一束辅助光束落射至样品表面，并根据样品表面反射光斑的形状、尺寸等判断离焦距离，并依此进行自动对焦。这类方法处理速度快，广泛适用于高反射率样品，但当应用于高透明度、高复杂度图形试样时，由于样品表面反射率较低，反射光斑会出现强度弱、信噪比低等问题，影响自动对焦效果。

专利公开号CN113206950A，公开了一种微纳结构图形试样的高速跟踪方法，包括计算机、照明成像模块、二向色棱镜、调焦机构、压电陶瓷、物镜、工件台、探测器、象散模块、分光模块、扩束镜、激光器和控制器。将待跟踪微纳结构图形试样放置于工件台上，通过调焦机构的上下移动，使得待跟踪微纳结构图形试样的表面在照明成像模块清晰成像。调节扩束镜，使得激光器发出的激光聚焦在待跟踪微纳结构图形试样的表面，同步控制工件台与控制器，完成待跟踪微纳结构图形试样的运动与跟踪。计算机与照明与成像模块中的CCD、工件台、控制器实时通信。该发明微纳结构图形试样的高速跟踪方法可以高速、高精度、高灵敏度的对微纳结构图形试样进行自动跟踪，保证微纳结构图形清晰成像，为后续的读取与检测提供保证。但该发明在应用于高透明度微纳结构图形试样时，由于样品表面反射率较低，反射光斑的质量与信噪比会影响对离焦量的判断，进而对自动对焦效果造成影响。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的根据落射光束形成的反射光斑直径变化量进行自动对焦的技术，在应用于高透明度、高复杂度图形试样时的不稳定问题。通过CCD接收光束透射过样品所形成的的光斑信号，计算出样品表面实际离焦量，实现对高透明度、高复杂度微纳结构图形试样的高速自动对焦。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一方面，本发明提供一种微纳结构图形试样的自动对焦装置，包括照明成像模块、供微纳结构图形试样放置的载物台、激光器、CCD、控制器和计算机，其特点在于，还包括供第一物镜放置的第一调焦机构，供第二物镜放置的第二调焦机构；

所述的计算机分别与所述的照明成像模块、CCD和控制器通讯连接；所述的控制器分别与所述的载物台、第一调焦机构、第二调焦机构通讯连接；

激光器出射激光经所述的第二物镜会聚后，照射在微纳结构图形试样底部，经该微纳结构图形试样发生透射，透射光经微纳结构图形试样上方第一物镜后，经会聚透镜会聚，由CCD成像；控制第一调焦机构带动载物台上方的第一物镜运动，使载物台表面处于该第一物镜的焦面位置，将微纳结构图形试样放置于载物台上，通过计算机处理激光透射光斑的直径数据计算出载物台上表面到当前微纳结构图形试样上表面的距离，控制第二调焦机构带动第二物镜升降，从而完成自动对焦。

另一方面，本发明还提供一种微纳结构图形试样的自动对焦方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：

a)控制第一调焦机构带动第一物镜运动，使第一物镜的焦面与载物台上表面重合，此时第一物镜距离载物台上表面的距离为s

b)控制激光器，将激光器功率设定为a mW；调节扩束镜，使得第二物镜出射激光的会聚角为I。控制第二调焦机构带动第二物镜运动，使第二物镜的光束会聚点与载物台上表面重合。

c)控制第一调焦机构带动第一物镜向下运动共计kμm行程，运动分辨率b nm。同时记录第一调焦机构不同位置时第二物镜的光束会聚点到第一物镜的物距值的改变量Δs，以及CCD接收的光斑直径d

d)对上一步骤中所得数据进行拟合，得到光斑直径d

e)控制第一调焦机构回到s

f)根据折射定律，通过Δs值与样品折射率n可计算载物台上表面到微纳结构图形试样上表面的距离

与现有技术相比，本发明的技术效果如下：

1)利用光斑尺寸反应样品表面位置，并作为判据直接计算距离并完成对焦过程，相比对样品表面信息进行图像处理并判断对焦的方案具有更小的运算量与更快的处理速度；

2)相对于在先申请中利用反射光斑测量结果作为离焦判据的方法，本发明使用透射光斑测量结果作为离焦判据，在应用于高透明度低反射率样品的自动对焦与跟踪时，可以避免由于样品的复杂结构与低反射率特点导致的反射光斑信噪比低，对焦效果差的问题。具有更高的适应性、稳定性。

附图说明

图1本发明高透明度高复杂度微纳结构图形试样对焦装置示意图；

图2本发明激光光斑随样品厚度变化示意图；

图3本发明实际光斑变化趋势图；

图4本发明物镜的物距改变量与光斑直径关系曲线图；

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，高透明度微纳结构图形试样自动对焦装置，包括照明成像模块1、第一反射镜2、分光棱镜3、第一调焦机构4、第一物镜5、微纳结构图形试样6、载物台7、第二物镜8、第二调焦机构9、第二反射镜10、扩束镜11、激光器12、会聚透镜13、CCD14、控制器15、计算机16。

所述激光器12发出激光经过所述扩束镜11，经第二反射镜10反射后，经第二物镜8，到达微纳结构图形试样6的底面发生透射，透射光经过第一物镜5、经分光棱镜3反射，经会聚透镜13到达CCD14。

所述的载物台7、第一调焦机构4、第二调焦机构9与控制器15进行通讯；所述的照明成像模块1、第一CCD14、控制器15与所述计算机16进行通讯；

高透明度、高复杂度微纳结构图形试样对焦方法，包括以下步骤：

a)控制第一调焦机构4带动第一物镜5运动，使第一物镜5的焦面与载物台7上表面重合，此时第一物镜5距离载物台7上表面的距离s0＝2.45mm。

b)控制激光器，将激光器功率设定为40mW；调节扩束镜11，使得第二物镜8出射激光的会聚角

c)控制第一调焦机构4带动第一物镜5向下运动共计250μm行程，运动分辨率2nm。同时记录第一调焦机构4不同位置时第二物镜8的光束会聚点到第一物镜5的物距值改变量Δs，以及CCD14接收的光斑直径d

d)对上一步骤中所得数据进行拟合，得到光斑直径d

e)控制第一调焦机构4回到s0＝2.45mm处，将待测微纳结构图形试样6放置于载物台7上表面，根据此时CCD14接收的光斑直径，结合步骤d)所得的拟合曲线，可以得出由该样品产生的折射导致的第二物镜8的出射光束会聚点相对于第一物镜5的物距的改变量Δs。

f)根据折射定律，通过Δs值与样品折射率n可计算微纳结构图形试样6上表面到载物台7上表面的距离