第３３卷第１期 ２０１２年１月 应用光学 Ｖｏ１．３３ ＮＯ．１ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｊａｎ．２０１２ 文章编号：１００２—２０８２（２０１２）０１—００１４—０５ 采用变焦液体透镜的共焦检测系统的设计与仿真 张运波，侯文玫，郑继红 （上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海２０００９３） 摘要：共焦显微技术越来越广泛地应用于微机电系统和半导体器件的三维轮廓测量。设计一种 新型采用变焦透镜作为轴向扫描方式的共焦显微系统，利用变焦透镜的焦距变化来代替传统的轴 向位移扫描。系统实现了无机械运动的轴向扫描，消除了传统共焦系统中由位移台移动带来的振 动，不仅减小了系统的复杂度，而且降低了成本。进一步设计了基于位移台和变焦透镜的两种共焦 检测系统，并且对其进行了仿真实验。实验结果表明：基于位移台和基于变焦透镜的共焦系统的聚 焦成像和离焦成像结果类似，并且光强的轴向分布曲线也基本相同，表明此方法可行。 关键词：三维轮廓测量；共焦显微镜；轴向扫描；变焦液体透镜 中图分类号：ＴＮ２０２；ＴＨ７４２．９ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．５７６８／ＪＡ０２０１２３３．０１０１００４ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｔｕｎａｂｌｅ－ｆｏｃｕｓ ｌｉｑｕｉｄ ｌｅｎｓ ＺＨＡＮＧ Ｙｕｎ－ｂｏ，ＨＯＵ Ｗｅｎ—ｍｅｉ，ＺＨＥＮＧ Ｊｉ—ｈｏｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ ０ｐｔｉｃａｌ－Ｅ１ｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｒｏ－ ｆｉｌｅ ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ—ｅｌｅｃｔｒｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｄｅｖｉｃｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｎｏｖｅｌ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｔｕｎａｂｌｅ—ｆｏｃｕｓ ｌｅｎｓ．Ｂｙ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅａ— ｂｌｅ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｉｓ ｌｅｎｓ ｉｎｓｔｅａｄ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ａｘｉａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ， ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｉｎ ａｘｉａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈｏｕｔ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｓｃａｎ ｍｏｖｅｍｅｎｔ．Ｉｔ ｃａｎ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ，ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔ．Ａ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｔａｇｅ ｂａｓｅｄ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ａ ｔｕｎａｂｌｅ－ｆｏｃｕｓ ｌｅｎｓ ｂａｓｅｄ ｅｏｎｆｏｅａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｗｏ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｅｘｐｅｒｉ— ｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｉｎ—－ｆｏｃｕｓ ａｎｄ ｏｕｔ・—ｏｆ－ｆｏｃｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｒｅ ｓｉｍｉｌａｒ，ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｌｏｎｇ ａｘｉａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｔｈｅ ｓａｍｅ，ａｎｄ ｔｈａｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈｉｓ ｎｅｗ ｓｃａｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉＳ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｒｅｅ～ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｒｏｆｉｌｅ ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ；ｃｏｎｆｏｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ａｘｉａｌ ｓｃａｎ；ｔｕｎａｂｌｅ—ｆｏｃｕｓ １ｉｑｕｉｄ ｌｅｎｓ 引言 共焦显微技术不仅分辨率高，并且具有独特的 三维成像能力，受到各国研究者的普遍重视 。共 收稿日期：２０１１－０３—０２；修回日期：２０１１－０３—２９ 焦显微技术中的轴向扫描装置主要是以压电陶瓷或 步进电机作为驱动装置的位移 ，以德国ＰＩ公 司的产品为代表。其优点是分辨率高，特别是基于 基金项目：自然科学基金中德科学中心（ＧＺ ４０４－－３０３／２）、上海市教委重点学科第５期（Ｊ５０５０５）和上海市研究生创新基金项 目（ＪＷＣＸＳＬ１００１）资助 作者简介：张运波（１９８１一），男，上海理工大学在读博士，主要从事光学微纳米检测方面的研究。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｒｅａｌｚｈａｎｇｙｕｎｂ０＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｒｎ 应用光学２０１２，３３（１） 张运波，等：采用变焦液体透镜的共焦检测系统的设计与仿真 ・１５． 压电陶瓷位移台的分辨率可以达到亚纳米［７］。但是 采用位移台进行轴向移动扫描，会引入机械振动，对 共焦测量造成不利的影响，并且制造复杂，价格昂 共焦检测技术中，对样品表面进行ｘ－ｙ方向 上扫描叫做横向扫描技术。共焦显微镜横向扫描 技术主要有：单点扫描法Ｄｏ］，Ｎｉｐｋｏｗ盘法Ⅲ］，微 贵。此外，还有人在光路中引入扫描转盘来代替位 移台的方法［８］，也可以实现轴向扫描，但是还是无法 避免机械转动对测量精度的影响。 透镜阵列法［１。 等，本文不对其做详细描述。 根据共焦成像原理，本文提出采用变焦液体 透镜来代替轴向扫描装置，实现了轴向无机械 传统透镜的制作材料主要为玻璃、塑料或石 扫描。 英。透镜一旦生产，其光学参数无法改变。变焦 １．２基于变焦液体透镜的轴向扫描方法 液体透镜是通过控制液体工作层的外部形状或改 １．２．１ 变焦液体透镜介绍 变内部折射率分布而实现焦距变化的透镜。与传 变焦液体透镜主要分为３种 基于电润湿效应 统的自动对焦镜头相比，液体透镜具有体积小、反 的双液体变焦透镜、微流体透镜和液晶透镜。本 应速度快、耗电量小、精确度高等优点［ 。 文以液晶透镜为例，简述其变焦原理。液晶透镜 本文提出了采用变焦液体透镜作为共焦检测 的结构为图２所示。从上到下依次为铝电极（在它 系统的轴向扫描手段的方法，具有轴向无机械扫 上面有一个圆孔）、上玻璃衬底、上聚酰亚胺层、液 描的特点。通过控制变焦液体透镜的焦距，使得 晶层、下聚酰亚胺层、透明电极、下玻璃衬底。对２ 照明针孑Ｌ、被测物和探测针孔三者共轭时，探测器 上的光强最大，由此可以确定被测物上该点对应 个电极施加电压后，内部液晶的折射率就会形成 的焦距，从而确定被测物上该点的轴向位置。 中心对称的指数分布，造成光线的偏折，达到聚光 效果［１引。变焦透镜的焦距表达式为［１４ １ 基于变焦液体透镜共焦检测的基 铝电极 本原理 １．１反射式共焦显微镜的工作原理 反射式共焦显微镜的原理如图１所示。照明针 孔和探测针孔处于共轭位置上，光源发出的光经过 隔离 酰亚胺层 聚光镜后通过照明针孔形成点光源，通过照明针孔 的光经过分光镜、物镜聚焦到样品上，样品表面反射 回来的光经过物镜，被分光镜反射到探测针孔上，此 液晶层 时绝大部分光能通过探测针孔被光强探测器接收。 图２变焦液体透镜的结构 当样品表面处于离焦位置时，被测物表面反射回来 Ｆｉｇ．２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ．１ｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｌｅｎｓ ｒ２ 的光线在探测针孔处形成一个圆斑，所以只有一部 ｆ一 （１） 分光能通过探测针孔被光强探测器接收，此时的光 强会比聚焦时探测的光强弱。这一性质意味着样品 式中：ｒ为透镜通光半径；ｄＬｃ为液晶层的厚度； 表面的位置是可以确定的，也决定了共焦显微镜具 为液晶层中心位置与边缘位置处的折射率之差， 它随着所加电压的增大而减小。 有三维成像的特点。 １．２．２基于变焦液体透镜轴向扫描原理 Ｉ光源 Ｉ、 ／＿＿二 ：刀。兀，倪 ‰ 一 ・ 基于变焦液体透镜的共焦检测原理如图３所 ｔ 示。系统中采用变焦液体透镜代替了原来的物镜 ． ／ ， Ｉ 和轴向扫描装置。在图３（ａ）中，调节变焦透镜的 冢光缱 、、， 砌ＩＪ针孑 ，，强 焦距，使照明针孔成像到样品表面，被样品反射回 ’ ． ／／、 一 雠 来的光大部分能够通过探测针孔被探测器接收， 对应图１中样品位于焦面上的情况。此时接收到 图１反射式共焦显微系统原理 的光强值最大。 Ｆｉｇ．１ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ Ｃｏｎｆｏｃａｉ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ・１６・ 应用光学２０１２，３３（１） 张运波，等：采用变焦液体透镜的共焦检测系统的设计与仿真 分光镜、镜筒透镜后形成平行光，再经过物镜， 入 射到样品（固定在位移台上）表面，被样品表面反 射回来的光再经过物镜、镜筒透镜、分光棱镜后被 探测器接收。 光强探测器 （ａ）照明针孔成像到样品 台 光强探测器 圈４基于位移台的共焦系统 Ｆｉｇ．４ Ｃｏｎｆｏｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｗｉｔｈ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｔａｇｅ 影响共焦系统轴向分辨率的主要因素是轴向 光强分布，称为深度响应（ｄｅｐｔｈ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）函数。 它的归一化光强分布 （ｚ）计算公式为［１ ５］ Ｉ（２）：ｆ面ｓｉｎ［－ｋｎｚ（１－－ｃｏｓａ）￣ｌ 【 肌 １一ＣＯＳａ） Ｊ 光强探测器 （２） 式中：ｚ为主光轴上点到焦平面的距离；ａ为显微物镜 的孔径角；是为波数 ＝２ ．＝Ｉ）； 为介质的折射率。 （ｂ）照明针孔离焦情况 图３基于变焦液体透镜的共焦检 原理 Ｆｉｇ．３ Ｃｏｎｆｏｃａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｅｔｕｐ ｏｆ ｔｕｎａｂｌｅ－ｆｏｃｕｓ ． ３基于变焦透镜的共焦显微系统的 设计 基于变焦液晶透镜的共焦显微系统结构如图 ５所示。可以看到，此系统不再有位移台，取而代 ｌｉｑｕｉｄ ｌｅｎｓ 在图３ｂ中（上），调节变焦透镜的焦距，使照 明针孔成像到样品表面前，此时被样品反射回来 的光在探测针孔处形成一个光斑，只有一部分光 能通过探测针孔被探测器接收，其光强值会减小。 对应图１中样品位于左面离焦位置的情况。 在图３ｂ中（下），调节变焦透镜的焦距，使照 明针孔成像到样品表面后，此时被样品反射回来 的光同样在探测针孔处形成一个光斑，探测器接 之的是变焦液晶透镜。计算机通过电压控制器控 制变焦液晶透镜的焦距，可以使之每次变化△，， 当光线经过变焦透镜聚焦到样品表面时，探测器 上的光强最大，由此可以确定被测点的轴向位置。 收到的光强值同样会变小。对应图ｌ中样品位于 右面离焦的情况。 综上所述，只有变焦透镜调焦，使得照明针孔 成像到样品表面时，探测器的光强最大，由此可以 确定样品表面的轴向位置。 ２利用位移台扫描的共焦显微系统 传统的共焦显微镜的轴向扫描装置为位移台 （样品固定在位移台上），其结构如图４所示。光源 经过照明针孔形成具有一定发散角的光束，经过 图５基于变蕉液体透镜的系统 Ｆｉｇ．５ Ｃｏｎｆｏｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｗｉｔｈ ｔｕｎａｂｌｅ－ｆｏｃｕｓ ｌｅｎｓ 应用光学２Ｏ１２，３３（１） 张运波，等：采用变焦液体透镜的共焦检测系统的设计与仿真 ・１７・ 个 ● 变焦透镜的数值孔径（图６所示）计算可以表示为 液品透镜 镜的焦距来实现轴向扫描这一思想，通过设置透 镜的不同焦距来进行仿真。 Ｌｉｇｈｔｏｏｌｓ不能直接设置透镜的焦距，但是可以通 过设置透镜２个工作面的曲率半径来设置焦距。透 镜焦距和２个工作面的曲率半径的关系表示为 １一．（”一１）（ 一 ）＋ 翌二 ： ｒ１ ｒ２ ，２，．１ ｒ２ （５） ， 式中：＿／ 为焦距； 为介质的折射率；ｒ 和ｒ 为透 图６数值孔径变化示薏图 Ｆｉｇ．６ Ｔｕｎａｂｌｅ ＮＡ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｌｅｎｓ ｄ 镜表面的曲率半径；ｄ为透镜的厚度。 （３） ＮＡ＝ｓｉｎａ一—＝＝＝＝＝兰兰＝＝＝＝＝ ／Ａ ＋４（Ｊｌ ＋Ａｆ） ，式中：Ａ为透镜的通光口径；ｆ 为变焦液晶透镜聚 焦到样品时的焦距。 当Ａ与△＿厂不能忽略时，△－厂对数值孔径有一 定影响。把此时的ＮＡ值代人（２）式，得到归一化 光强的表达式为 Ｊ（△，１）＝ Ｆｉｇ．７ （ａ）聚 （ｂ）离熊 图７基于位移台的共焦成像仿真图 ± ： 。 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｍａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｓｔａｇｅ ｂａｓｅｄ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ 是 △ｆ（１ Ａｃｏｔａｏ＋２Ａｆ （４） 绝大多数实际情况满足Ａ＞＞Ａｆ，△／’对ＮＡ的影 响可以忽略。其归一化光强的表达式与（２）式相同。 ４ 仿真实验 下面采用Ｌｉｇｈｔ＇Ｉ、ｏｏｌｓ软件分别对基于位移台 和基于变焦透镜的共焦检测系统进行仿真实验。 ４．１ 基于位移台的共焦系统仿真 仿真光路如图４所示。光源和照明针孑Ｌ采用 应用库里的点光源模型。应用库里没有显微物 镜，所以采用双凸透镜来代替。物体轴向扫描位 置通过对被测物的位置属性进行设置。用来代替 物镜的透镜参数如下：焦距为４．５ ｍｍ，直径为５ ｍｍ，厚度为２ ｍｍ，可以认为成薄透镜。 首先进行仿真成像实验。其目的是得到物体表面 处于聚焦和离焦时的成像图像，实验结果如图７所 示。从图７（ａ）和图７（ｂ）的对比可以看到，离焦时成像 模糊，聚焦时所成的像为一个亮斑，验证了图ｌ所示 的共焦原理。图８为系统的轴向响应曲线。 ４．２ 基于变焦透镜的共焦系统仿真 图８基于位移台的共焦系统轴向响应曲线 Ｆｉｇ．８ Ｄｅｐｔｈ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｔｕｎａｂｌｅ－ｆｏｃｕｓ ｌｅｎｓ （ａ）聚焦 （ｂ）离 图９ 基于变焦透镜的共焦成像仿真图 Ｆｉｇ．９ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｍａｇｅ ｏｆ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｔｕｎａｂｌｅ－ ｆｏｃｕｓ ｌｅｎｓ 基于变焦液体透镜的系统仿真光路如图５所 示。应用库里没有液体透镜，但根据通过改变透 应用光学２０１２，３３（１） 张运波，等：采用变焦液体透镜的共焦检测系统的设计与仿真 法的研究［Ｊ］．应用光学，２０１０，３１（１）：７０～７２． ＨＵ Ｍａｏ－ｈａｉ。ＹＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｃｈｕｎ．Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ｉｍ— ｐｒｏｖｉｎｇ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ＳＮＲ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐ— ｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，２０１０，３１（１）：７０—７２．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｉｔｈ 《 ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ） １Ｅ４３ ＦＵＪＩＴＡ Ｋ，ＮＡＫＡＭＵＲＡ ｏ，ＫＡＮＥＫＯ Ｔ．Ｃｏｎｆｏ— ｃａｌ ｍｕｌｔｉｐｏｉｎｔ ｍｕｈｉｐｈｏｔｏｎ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｗｉｔｈ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｎｄ ｐｉｎｈｏｌｅ ａｒｒａｙｓ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａ— ｔｉｏｎｓ，２０００，ｌ：７－１２． ４０ －２０ ０ ２０ ４０ ６‘） Ｅ５３ ＲＡＪＡＤＨＹＡＫＳＨＡ Ｍ，ＡＮＤＥＲＳＯＮ Ｒ Ｒ，ＷＥＢＢ Ｒ Ｈ．Ｖｉｄｅｏ－ｒａｔｅ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ 一变化的焦距／ｕ ｍ 圈１Ｏ基于变焦透镜共焦系统的轴向响应曲线 Ｆｉｇ．１０ Ｄｅｐｔｈ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｔｕｎａｂｌｅ－ｆｏｃｕｓ ｌｅｎｓ ｆｏｒ ｉｍａｇｉｎｇ ｈｕｍａｎ ｔｉｓｓｕｅｓ ｉｎ ｖｉｖｏＣＪ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐ— ｔｉｃｓ，１９９９；３８（１０）：２１０５－２１１５． －１６］ ＶＡＩＳＨＮＡＶＩ Ｖ，ＶＡＲＧＨＥＳＥ Ｌ，ＪＡＦＦＡＲ ＡＬＩ Ｂ Ｍ．Ａ ｓｔａｇｅ－ｓｃａｎｎｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ａｎｄ 通过图８和图１Ｏ对比可以看出，共焦显微系 统采用变焦的方法得到的轴向响应曲线基本类似 于采用位移台得到的轴向相应曲线，这说明基于 变焦液晶透镜的共焦系统同样具有三维检测能 ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ ＤＮＡ ｍｅｔｈｙｌａｔｉｏｎ ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ［Ｊ］．Ｂｉｏ— ｍｅｄｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１０（３）：４９６—５００． ［７］ ＳＰＡＮＮＥＲ Ｋ，Ｖ０ＲＮＤＲＡＮ Ｓ．Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ ｐｉｅｚｏ— ｎａｎ０ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ Ｉｎｔｅｒ— ｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ，２００３，２：１３３８—１３４３． 力。仿真实验结果证明，采用变焦透镜作为共焦 检测系统的轴向扫描方法可行。 ［８］李明周，王昭，赵宏．点扫描激光共焦测量研究［Ｊ］． 工具技术，２００３，３７：３９—４１． ＬＩ Ｍｉｎｇ－ｚｈｏｕ，ＷＡＮＧ Ｚｈａｏ，ＺＨＡＯ Ｈｏｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ５ 结论 设计了一种采用变焦透镜的共焦系统，通过 对变焦液晶透镜和基于变焦液晶透镜的共焦系统 分析和ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ仿真，得出以下结论： １）采用变焦液晶透镜作为共焦轴向扫描方式 实现了轴向无机械扫描，解决了传统的采用位移 台轴向扫描带来的机械振动、摩擦等问题。 ２）当变焦透镜的通光口径远远大于变焦透镜 ｏｆ ｐｏｉｎｔ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ［Ｊ］． Ｔｏｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００３，３７：３９—４１．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ） ［９３董伟辉，谢永军，李恩玲．利用镜面形变实现共轴折 反射式变焦光学系统设计［Ｊ］．应用光学，２０１０，３１ （６）：８９３－８９７． ＤＯＮＧ Ｗｅｉ－ｈｕｉ，ＸＩＥ Ｙｏｎｇ－ｊｕｎ，ＬＩ Ｅｎ－ｌｉｎｇ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏａｘｉａｌ ｃａｔａｄｉｏｐｔｒｉｃ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ 焦距的变化步长△厂时，其归一化光强的轴向分布 与采用位移台共焦系统的轴向分布相同。当焦距 ｍｉｒｒｏｒｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，２０１０，３１ （６）：８９３－８９７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ） 变化△，与变焦液晶透镜的通光口径比不能忽略 时，其归一化光强与ａｆ的关系函数将有所变化。 ３）仿真实验得到两种轴向扫描方法的轴向响 ［１０１ ＳＨＥＰＰＡＲＤ Ｊ Ｒ．Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ［Ｊ］． Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，１９８７， １（１０）：１－９８． ［１１３ ＳＨＩＮ—ＩＣＨＩＲＯ Ｋ．Ｃｏｎｆｏｅａｌ ｌａｓｅｒ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｓｃａｎ— ｎｅｒ ａｎｄ ＣＣＤ ｃａｍｅｒａ［Ｊ］．Ｙｏｋｏｇａｗａ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅ— ｐｏｒｔ：Ｅｎｇｌｉｓｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ，２００２，３３：１ ７—２０． 应曲线基本相同，从而证明共焦系统采用变焦透 镜作为轴向扫描的方法可行。 参考文献： ［１２］ＦＵＪＩＴＡ Ｋ，ＮＡＫＡＭＵＲＡ Ｏ，ＫＡＮＥＫＯ Ｔ．Ｃｏｎ— ｆｏｃａｌ ｍｕｌｔｉｐｏｉｎｔ ｍｕｌｔｉｐｈｏｔｏｎ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ Ｅ１３ ＷＩＬＳＯＮ Ｔ．Ｃｏｎｆｏｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ［Ｍ］．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ： Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，１９９０． ｗｉｔｈ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｎｄ ｐｉｎｈｏｌｅ ａｒｒａｙｓ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｒｎ— ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０００（１）：７－１２． ［２］ ＰＡｗＬＥＹ Ｊ Ｂ，ＭＡＳＴＥＲＳ Ｂ Ｒ．Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ ｂｉｏ— ［１３］ ＲＥＮ Ｈｏｎｇ—ｗｅｎ，ＷＵ Ｓ Ｔ．Ａｄａｐｔｉｖｅ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｏｐｔｉｃｓ，２００８，１３：０２９９０２． ｌｅｎｓ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ ｔｅｎａｂｉｌｉｔｙ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，２００６，１４（２３）：１１２９２一ｌ１２９８． ［３］胡茂海，杨晓春．一种提高共聚焦显微镜信噪比算 （下转第４３页） 应用光学２０１２，３３（１）吴从钧，等：棱镜一光栅一棱镜型光谱成像系统光学设计 ・４３・ Ｅ９３ ＫＯＧＥＬＮＩＫ Ｈ．Ｃｏｕｐｌｅ ｗａｖｅ ｔｈｅｏｒｙ ｆｏｒ ｔｈｉｃｋ ｈｏｌｏ— （１２）：１１０２－１１０５．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂ－ ｓｔｒａｃｔ） ｇｒａｍ ｇｒａｔｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｂｅｌｌ Ｓｙｓｔ．Ｔｅｅｈ．Ｊ．，１９６９，４８（９）： ２９０９—２０４７． ［１１］黄振宁，孙利群．基于线阵ＣＣＤ的小型光谱仪光度 特性研究［Ｊ］．应用光学，２００７，２８（５）：５６４—５６８． ＨＵＡＮＧ Ｚｈｅｎ－ｙｕ・ＳＵＮ Ｌｂｑｕｎ．Ｐｈｏｔｏｍｅｔｒｉｃ ｐｅｒ— ｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌｉｎｅａｒ Ｅｌ０］冯德军，开桂云，刘志国，等．用一种矩阵计算方法 分析体积全息光栅［Ｊ］．光子学报，１９９９，２８（１２）： １１０２—１１０５． ＦＥＮＧ Ｄ￣ｊｕｎ，ＫＡＩ Ｇｕ￣ｙｕｎ，ＬＩＵ Ｚｈｂｇｕｏ，ｅｔ ａ１．Ａ— ＣＣＤ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，２００７，２８（５）： ｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｖｏｌｕｍｅ ｈｏｌｏｇｒａｍ ｇｒａｔｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｍａ— ５６４—５６８．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ） ｔｒｉｘ ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ａｃｔａ Ｐｈｏｔｏｎｉｃａ Ａｉｎｉｃａ，１９９９，２８ （上接第１８页） ［１４］ ＲＥＮ Ｈｏｎｇ－ｗｅｎ，ｗｕ Ｓ Ｔ．Ａｄａｐｔｉｖｅ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ［１６］安连生，李林，李全臣．应用光学Ｉ－Ｍ］．北京理工大 ｌｅｎｓ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ ｔｅｎａｂｉｌｉｔｙ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ 学出版社，２００２． Ｅｘｐｒｅｓｓ，２００６，１４（２３）：１１２９２—１１２９８． ＡＮ Ｌｉａｎ－ｓｈｅｎｇ，ＬＩ Ｌｉｎ，ＬＩ Ｑｕａｎ－ｃｈｅｎ．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅ１５３ ＣＯＲＬＥ Ｔ Ｒ，ＣＨＯＵ Ｃ Ｈ，ＫＩＮＯ Ｇ Ｓ．Ｄｅｐｔｈ ｒｅ— Ｏｐｔｉｃｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｓ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ Ｐｒｅｓｓ，２００２． Ｌｅｔｔｅｒ，１９８６，１１（２） ：７７０—７７２．
