CN101629814B - 差动共焦瞄准触发式空心球体内外轮廓及壁厚测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密测量领域，涉及差动共焦瞄准触发式空心球体内外轮廓及壁厚测量方法与装置。该方法利用差动共焦式“光探针”传感器对空心球体的内外表面进行瞄准，配合工作台的旋转，可以完成整个空心球体内外表面轮廓和壁厚的测量。同时可以利用光瞳滤波技术提高系统的分辨力和灵敏度。本发明首次提出利用差动共焦响应曲线的零点去触发测量空心球体内外表面的轮廓和壁厚，解决了空心球体内外表面轮廓和壁厚不能同时测量的难题。差动共焦式“光探针”传感器探测的是光强信号，具有精度高、抗环境干扰能力强、不损坏被测对象等优点。

Description

差动共焦瞄准触发式空心球体内外轮廓及壁厚测量方法与装置

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，可用于透明或半透明空心球体的内外轮廓测量、形貌测量和壁厚测量。

技术背景

激光惯性约束核聚变(ICF)是实现可控热核聚变的可行途径之一，在能源、国防和基础科研等领域有重要应用。ICF实验常用靶丸是内含D₂或DT等热核燃料的微球，通常认为：靶丸内外表面的轮廓以及壁厚等微观几何参数是引起RT不稳定性的重要因素。在内爆加速期间，微小的表面扰动可能扩大100倍甚至更多，造成靶丸不对称压缩或破裂，最终导致打靶失败。因此，靶丸表面形貌的精确测量、分析与控制对于ICF内爆试验具有重要的现实意义。

表面形貌分析首先需要获取靶丸表面轮廓数据。常用的靶丸直径为50～1000μm，壁厚为0.5～20μm，壁厚偏差要求在0.03～0.5μm。由于靶丸的尺寸微小，靶壳脆弱，装夹和定位都很困难，难以实现精确无损测量。

靶丸表面形貌检测常采用原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线法，但都有其局限性：AFM由于其测量范围的限制，只能测量很小的外表面区域，不能测量壁厚以及内表面；SEM需要测量对象是导体，而靶丸本身不导电，在测量前需要对靶丸表面蒸上一层碳用来导电，会引入误差，另外，SEM操作也需要在真空环境中进行，对测试环境要求非常高；X射线法只能根据图像进行定性的判断而无法实现定量测量。

针对靶丸的测量，国内外的学者进行了大量的研究。2000年美国General Atomic(GA)公司的R.B.Stephens等人将原子力显微镜、精密旋转轴系和光纤干涉技术相结合，用原子力显微镜测量靶丸外表面轮廓的高度值，用光纤干涉法沿相同的轨迹测量靶丸的壁厚，将外表面轮廓的高度值减去壁厚，得到了内表面轮廓的高度值。但是，在此方法中，对靶丸内表面的测量是通过干涉法测量壁厚间接实现的，存在以下问题：光斑直径大(100μm)，分辨力低；干涉测量壁厚的轨迹与原子力显微镜测量外表面的轨迹无法完全重合，会引入测量误差。

国内对靶丸测量进行的研究主要是跟踪国外的先进技术。在《强激光与粒子束》2005年第12期上发表的《靶丸表面轮廓形貌AFM精密测量及特性评价》中，哈尔滨工业大学研制的表面轮廓仪采用原子力显微镜与精密回转气浮轴系等相结合，实现了靶丸表面3个正交方向上的精确转换与测量。但是这种方法只能测量靶丸的外表面轮廓，无法测量靶丸的内表面轮廓和壁厚。在《原子能科学技术》2008年第2期上发表的《相移干涉法测量ICF微球内表面粗糙度》中，提出了相移干涉法测量微球内表面粗糙度的方法。但此方法测量过程中，干涉条纹除了受温度、气流等环境因素的影响外，还会受到微球外表面粗糙度的影响，并且这种方法只能测量靶丸内表面的粗糙度。

以上测试方法的共性在于：无法用一种方法同时测量微球内外表面的形貌和壁厚。

近年来，国内外显微成像领域的差动共焦技术发展迅速，该技术以轴向的光强响应曲线作为评价尺度，具有精度高、共模噪声抑制能力强、具有绝对跟踪能力等特点。例如中国专利“具有高空间分辨率的差动共焦扫描检测方法”(专利号：200410006359.6)，其提出了超分辨差动共焦检测方法，使系统轴向分辨力达到纳米级，并显著提高了抗环境扰动能力。差动共焦技术主要适用于微观显微测量领域，但将差动共焦式“光探针”传感器应用于微球内外表面形貌测量中的定位瞄准，继而实现微球内外表面轮廓以及壁厚的同时测量的报道，迄今为止尚未见到。

发明内容

本发明的目的是为了解决微球内外表面轮廓、形貌和壁厚等几何参数高精度无损测量的问题，提出一种利用差动共焦响应曲线零点作为瞄准触发点，通过测量差动共焦式“光探针”传感器聚焦物镜的位置变化量得到微球的内、外表面轮廓高度数据。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的差动共焦瞄准触发式空心球体内外轮廓及壁厚测量方法，包括以下步骤：

(1)平行光透过偏振分光镜1、1/4波片2，经过物镜3会聚到透明或半透明空心微球7；光线经过空心微球7的外表面或内表面反射后，通过物镜3、1/4波片2和偏振分光镜1进入差动共焦瞄准触发系统10；

(2)使物镜3在光轴方向做高速振动扫描，差动共焦响应曲线上的零点21、零点22分别对应物镜3聚焦到空心微球7外、内轮廓位置；

(3)通过差动瞄准触发系统10依次探测零点21、零点22，来分别测量与探测零点21和零点22对应物镜3的振动位置4和振动位置6，其值分别记为a和b；

其中a为瞄准点对应空心微球7外表面轮廓的高度值，b为瞄准点对应空心微球7内表面轮廓的高度值；

(4)a和b相减得到空心微球7在瞄准点处的壁厚23；

(5)空心微球7随着工作台8匀速旋转，旋转过程中重复使用步骤(3)，得到空心微球7外表面轮廓的高度值数据{a₁，a₂，a₃，...，a_n}、内表面轮廓的高度值数据{b₁，b₂，b₃，...b_n}及每个瞄准点相对应的旋转角度值{θ₁，θ₂，θ₃，...，θ_n}；

(6)由{a₁，a₂，a₃，...，a_n}和{θ₁，θ₂，θ₃，...，θ_n}可以计算空心微球7的外表面轮廓；

(7)由{b₁，b₂，b₃，...，b_n}和{θ₁，θ₂，θ₃，...，θ_n}可以计算空心微球7的内表面轮廓；

(8)由{a₁，a₂，a₃，...，a_n}和{b₁，b₂，b₃，...，b_n}相减，得到一组空心微球7的壁厚值：{Δ₁，Δ₂，Δ₃，...，Δ_n}。

本发明所述的测量方法还可以通过加入超分辨光学系统18，用来提高差动共焦瞄准触发系统的横向分辨力。超分辨光学系统18可以放置在偏振分光镜1前面，也可以放置在偏振分光镜1与差动共焦瞄准触发系统10之间。

本发明还提供了差动共焦瞄准触发式空心球体内外轮廓及壁厚测量装置，包括光源19，还包括偏振分光镜1、1/4波片2、物镜3、差动共焦瞄准触发系统10和工作台8；其中偏振分光镜1、1/4波片2和物镜3依次放在光源19出射光线方向，差动共焦瞄准触发系统10放置在偏振分光镜1反射方向。空心微球7与偏振分光镜1将光束反射至差动共焦瞄准触发系统10，物镜3配合差动共焦瞄准触发系统10、位移测量系统9和工作台8实现空心微球7内外表面轮廓和壁厚的同时测量。

还可以包括超分辨光学系统18，用来提高差动共焦瞄准触发系统的横向分辨力。超分辨光学系统18可以放置在光源19与偏振分光镜1之间，也可以放置在偏振分光镜1与差动共焦瞄准触发系统10之间。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1.首次提出利用差动共焦式“光探针”传感器实现空心微球内外表面轮廓测量。由差动共焦响应曲线零点进行瞄准触发，结合位移传感器和工作台测量空心微球的内外轮廓及壁厚，利用差动共焦光探针传感器高层析特性，减少了反射面的反射率、倾斜等因素对测量瞄准特性的影响，实现空心微球内外表面轮廓测量。

2、可以将光瞳滤波技术应用到差动传感瞄准触发系统中，用来压缩差动共焦“光探针”焦点光斑的直径，提高系统的横向分辨力。

3.与原子力显微镜只能测量空心微球外表面形貌相比，利用差动共焦的高层析能力的特性，实现了空心微球内外表面轮廓以及壁厚的同时测量。

4、与扫描电子显微镜相比，利用差动共焦传感器式“光探针”进行测量，不需要对微球做任何处理，属于无损检测。

5、与用干涉法测量壁厚，间接测量微球内表面形貌的方法相比，本发明对内表面的测量属于直接测量，不存在间接测量中要求两种测量探针测量轨迹重合的问题。同时，因为是用一个“光探针”对微球的内、外表面形貌及壁厚进行同时测量，其内、外表面圆的测量轨迹完全重合。

6.与采用图像、干涉条纹直接测量微球的内表面形貌或壁厚的方法相比，差动共焦瞄准触发原理以光强响应曲线零点作为测量内外表面形貌测量中的瞄准触发点，具有更高的稳定性和抗干扰的能力。

附图说明

图1为本发明测量方法的示意图；

图2为本发明测量装置的示意图；

图3为本发明实施例的示意图；

图4为本发明实施例的差动响应曲线图；

其中：1-偏振分光镜、2-波片、3-物镜、4-物镜位置、5-距离、6-物镜位置、7-空心微球、8-工作台系统、9-物镜扫描及位移测量系统、10-差动共焦瞄准触发系统、11-分光镜、12-透镜、13-针孔、14-探测器、15-透镜、16-针孔、17-探测器、18-超分辨光学系统、19-光源、20-测控系统、21-零点、22-零点、23-壁厚。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

首次提出利用差动共焦式的“光探针”实现微球表面轮廓测量。

本发明的基本思想是利用差动共焦“光探针”传感器的层析特性，通过其输出特性曲线的零点对微球内外表面分别进行瞄准触发，测量差动共焦式“光探针”传感器聚焦物镜的位置变化量得到微球的内、外表面轮廓高度数据。微球内外表面轮廓高度数据相减，得到其壁厚。

实施例

如图3所示，一种差动共焦瞄准触发式微球内外表面轮廓测量的方法，其测量步骤是：

首先，打开光源19，射出平行光透过由偏振分光镜1和1/4波片2构成的分光系统，经透镜3会聚在空心微球7的表面，光线再由空心微球7的表面反射后，通过1/4波片2和偏振分光镜1反射进入差动共焦瞄准系统10中的分光镜11；分光镜11将光线分成两路，透射光线经过透镜12、针孔13照射到探测器14，反射光线经过透镜15、针孔16照到探测器17；通过PI纳米级的压电陶瓷位移驱动器(P-725)驱动物镜3在光轴方向作往复扫描。差动共焦瞄准系统10的响应曲线如图4所示。通过探测零点21来确定物镜3的焦点瞄准到了微球7的外表面，触发测量系统(P-725内部集成高精度位移传感器)测量差动共焦式光探针传感器聚集物镜3的位置4，其值记为a，a为空心微球7外表面所瞄准点轮廓的高度值。

然后，透镜3沿光轴继续向右移动扫描，通过探测零点22来确定物镜3的焦点瞄准到了微球的内表面，触发测量差动共焦式光探针传感器聚集物镜3的位置6，其值记为b，b为空心微球内表面所瞄准点轮廓的高度值。

a与b相减得到空心微球7在瞄准点处的壁厚23。

而后，空心微球7随着工作台8匀速旋转，重复上述的测量步骤，直到完成一周的旋转测量，得到空心微球7外表面的轮廓的高度值数据{a₁，a₂，a₃，...，a_n}、内表面轮廓的高度值数据{b₁，b₂，b₃，...，b_n}；同时得到每个瞄准点相对应的旋转角度值{θ₁，θ₂，θ₃，...，θ_n}。

而后，由最小二乘法评定圆度误差，由下式计算空心微球7所测外表面圆第i点的径向误差：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{oi}}=a_i-\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j-\left[\frac{2}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j\cos {\mathrm{\θ}}_j\right]\cos {\mathrm{\θ}}_i-\left[\frac{2}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j\sin {\mathrm{\θ}}_j\right]\sin {\mathrm{\θ}}_i---\left(1\right)$

其中，ε_oi为第i点相对于空心微球外表面最小二乘圆周径向的距离，a_i为空心微球7外表面第i点轮廓的高度值，θ_i为第i点对应的旋转角度。

空心微球7外表面的圆度误差为：

f_外＝(ε_oi)_max-(ε_oi)_min                 (2)

而后，由下式计算空心微球7所测内表面圆第i点的径向误差：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{si}}=b_i-\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_j-\left[\frac{2}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_j\cos {\mathrm{\θ}}_j\right]\cos {\mathrm{\θ}}_i-\left[\frac{2}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_j\sin {\mathrm{\θ}}_j\right]\sin {\mathrm{\θ}}_i---\left(3\right)$

其中，ε_si为第i点相对于空心微球内表面最小二乘圆周径向的距离，b_i为空心微球7内表面第i点轮廓的高度值，θ_i为第i点对应的旋转角度。

空心微球7内表面的圆度误差为：

f_内＝(ε_si)_max-(ε_si)_min                 (4)

最后，由下式计算空心微球7的i点处的壁厚：

Δ_i＝a_i-b_i               (5)

该实施例中还通过在光路中加入超分辨光学系统18，用来提高差动共焦瞄准触发系统的横向分辨力。超分辨光学系统18可以放置在偏振分光镜1前面，也可以放置在偏振分光镜1与差动共焦瞄准触发系统10之间。

如图3所示，一种差动共焦瞄准触发式微球内外表面轮廓测量装置，包括光源19，依次放置在光源19出射平行光线方向的偏振分光镜1，1/4波片2，物镜3和空心微球7；还包括放置在偏振分光镜反射方向的差动共焦瞄准触发系统10，其中空心微球7，1/4波片2，偏振分光镜1，将光束反射到差动共焦瞄准触发系统10中的分光镜11，分光镜11将光束分成两部分：透射光线经过透镜12、针孔13，照射到探测器14上；反射光线经过透镜15、针孔16，照射到探测器17上。纳米级微位移工作台9带动物镜3在光轴方向做往复运动扫描。在扫描过程中，物镜3的焦点先后瞄准到微球的外表面和内表面，分别对应差动共焦传感器输出响应曲线中零点21、零点22。利用这两个零点去触发测控系统20去记录微位移工作台9的传感器输出的位移值，即可得到空心微球7在这一点的内外表面表面轮廓值以及壁厚。工作台8带动空心微球7做匀速旋转，重复上述测量步骤得到一系列空心微球7的内外表面轮廓值和相对应的旋转角度值。通过对这些数据的处理，就可以得到空心微球7的内外表面的轮廓和壁厚。

该装置还包括在光源19和偏振分光镜1之间加入的超分辨光学系统18，用来提高差动共焦瞄准触发系统的横向分辨力。

此实施例通过一系列的措施实现了空心微球内、外表面形貌和壁厚的高精度测量，实现了差动共焦瞄准触发式球体内外轮廓及壁厚测量方法与装置，与其它测量方法相比，具有能同时测量内外表面形貌及壁厚、测量精度高、抗干扰能力强等优点。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.差动共焦瞄准触发式空心球体内外轮廓及壁厚测量方法，其特征在于：

①平行光透过偏振分光镜(1)、1/4波片(2)，经过物镜(3)会聚到透明或半透明空心微球(7)；光线经过空心微球(7)的外表面或内表面反射后，通过物镜(3)、1/4波片(2)和偏振分光镜(1)进入差动共焦瞄准触发系统(10)；

②使物镜(3)在光轴方向做高速振动扫描，差动共焦响应曲线上的第一零点(21)、第二零点(22)分别对应物镜(3)聚焦到空心微球(7)外、内轮廓位置；

③通过差动瞄准触发系统(10)依次探测第一零点(21)、第二零点(22)，来分别测量与探测第一零点(21)和第二零点(22)对应物镜(3)的第一振动位置(4)和第二振动位置(6)，其值分别记为a和b；

其中a为瞄准点对应空心微球(7)外表面轮廓的高度值，b为瞄准点对应空心微球(7)内表面轮廓的高度值；

④a和b相减得到微球(7)在瞄准点处的壁厚(23)；

⑤空心微球(7)随着工作台(8)匀速旋转，旋转过程中重复使用步骤③，得到空心微球(7)外表面轮廓的高度值数据{a₁，a₂，a₃，...，a_n}、内表面轮廓的高度值数据{b₁，b₂，b₃，...，b_n}及每个瞄准点相对应的旋转角度值{θ₁，θ₂，θ₃，...，θ_n}；

⑥由{a₁，a₂，a₃，...，a_n}和{θ₁，θ₂，θ₃，...，θ_n}可以计算空心微球(7)的外表面轮廓；

⑦由{b₁，b₂，b₃，...，b_n}和{θ₁，θ₂，θ₃，...，θ_n}可以计算空心微球(7)的内表面轮廓；

⑧由{a₁，a₂，a₃，...，a_n}和{b₁，b₂，b₃，...，b_n}相减，得到一组空心微球(7)的壁厚值：{Δ₁，Δ₂，Δ₃，...，Δ_n}。

2.根据权利要求1所述的差动共焦瞄准触发式空心球体内外轮廓及壁厚测量方法，其特征在于：在光路中加入超分辨光学系统(18)，放置在偏振分光镜(1)前面，或放置在偏振分光镜(1)与差动共焦瞄准触发系统(10)之间，用于提高差动共焦瞄准触发系统的横向分辨力。

3.差动共焦瞄准触发式空心球体内外轮廓及壁厚测量装置，包括光 源(19)，依次放置在光源(19)出射平行光线方向的偏振分光镜(1)、1/4波片(2)、物镜(3)和空心微球(7)；还包括放置在偏振分光镜反射方向的差动共焦瞄准触发系统(10)，其中空心微球(7)、1/4波片(2)、偏振分光镜(1)，将光束反射到差动共焦瞄准触发系统(10)中的分光镜(11)，分光镜(11)将光束分成两部分：透射光线经过第一透镜(12)、第一针孔(13)，照射到第一探测器(14)上；反射光线经过第二透镜(15)、第二针孔(16)，照射到第二探测器(17)上；纳米级微位移工作台(9)带动物镜(3)在光轴方向做往复运动扫描；在扫描过程中，物镜(3)的焦点先后瞄准到微球的外表面和内表面，分别对应差动共焦传感器输出响应曲线中第一零点(21)、第二零点(22)；利用这两个零点去触发测控系统(20)去记录微位移工作台(9)的传感器输出的位移值，即可得到空心微球(7)在这一点的内外表面表面轮廓值以及壁厚；工作台(8)带动空心微球(7)做匀速旋转，重复上述测量步骤得到一系列空心微球(7)的内外表面轮廓值和相对应的旋转角度值；通过对这些数据的处理，就可以得到空心微球(7)的内外表面的轮廓和壁厚。

4.根据权利要求3所述的差动共焦瞄准触发式空心球体内外轮廓及壁厚测量装置，其特征还在于：在光路中加入超分辨光学系统(18)，放置在光源(19)与偏振分光镜(1)之间，或放置在偏振分光镜(1)与差动共焦瞄准触发系统(10)之间。 

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