CN109655015B - 一种非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法，该方法具体为：在样品加工前后，控制两束具有相同角度及高度的激光对称入射至样品加工表面，并反射至PSD(position sensitive detector)传感器光敏层，随着样品在加工过程中厚度或者倾角发生微小的变化，光斑能量中心逐渐发生位移，根据PSD传感器采集的样品加工前后光斑能量中心的变化，获得样品加工表面倾角及厚度变化。与现有技术相比，本发明测量精度高，操作方便简单，并且作为一种非接触式检测方法，对样品表面没有损伤。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学测量方法，尤其是涉及一种非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法。
背景技术
常用的厚度测量仪器包括数显千分尺，螺旋测微器等，也有利用声波或者光波等的非接触式测量手段。这些仪器主要的目的是测量物体的厚度，而非针对测量厚度的微小变化。常用的角度测量仪器往往只是考虑物体因旋转等因素造成的读数变化，忽略了测量过程中被测物体可能存在的平移。现有测量仪器通常为接触式测量仪器，能满足大部分日常生产生活需要；然而在某些特殊情况下，被测表面不能被直接接触，接触式测量方法不仅可能会影响材料的形状与结构，而且精度十分有限。此时高精度的非接触式测量装置显现出其独特优势。因此，不少工业生产需要高精度的非接触式测量方法和仪器。
目前，在工业上有利用激光二维扫描非接触式测量物件尺寸和厚度的技术。该技术利用物件对激光的遮挡，在接收屏上产生并记录光强差，从而确定待测物件的轮廓，因此可用于测量物件尺寸。但该方法通常只能测量某一点的厚度，无法测量出样品两端厚度差，也无法得知样品表面的倾角变化。而传统的厚度差测量需要直接接触待加工样品表面，这将会给样品表面带来污染甚至损伤，因此需要一种非接触式表面倾角测量方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术缺陷而提供一种非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法，该方法具体为：在样品加工前后，控制两束具有相同角度及高度的激光对称入射至样品加工表面，并反射至PSD传感器光敏层，根据PSD传感器采集的样品加工前后光斑能量中心的变化，获得样品加工表面倾角及厚度变化。
进一步地，所述样品加工表面的粗糙度Ra≤2μm。
进一步地，所述样品加工表面倾角变化β满足β·(s1+s2)＜＜s1+s2，厚度变化Δh相对于s1，s2是小量，其中，s1，s2为光线从反射点到光敏层辐照能量中心的距离。
进一步地，所述根据PSD传感器采集的样品加工前后光斑能量中心的变化，获得样品加工表面倾角及厚度变化具体为：
Δx1＝x1-x10＞0，Δx2＝x2-x20＜0
其中，x10为左侧激光打在样品初始表面反射到PSD传感器距离光敏层中心的距离；x1为左侧激光打在加工后待测样品表面反射到PSD传感器距离光敏层中心的距离；x20为右侧激光打在样品初始表面反射到PSD传感器距离光敏层中心的距离；x2为右侧激光打在待测样品加工后表面反射到PSD传感器距离光敏层中心的距离；α为激光与竖直方向的夹角。
进一步地，所述PSD传感器为一维PSD传感器，采用的激光器为线状激光器。
进一步地，所述PSD传感器为二维PSD传感器，采用的激光器为点状激光器。
进一步地，该方法还包括对初始参数进行标定。
进一步地，所述PSD传感器连接有电压稳定输出的电源。
进一步地，所述激光与竖直方向的夹角范围为30°～60°。
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
1、本发明为一种非接触式的光学测量方法，具备精度高，读数稳定，能区分开由于加工样品厚度或者倾角带来的读数变化，且计算原理相对简单，便于误差分析。
2、本发明适用于研磨抛光领域，用以检测研抛样品厚度变化。
3、本发明同样适用于取向研磨抛光领域，同时检测研抛样品厚度变化和表面倾角变化，用以修正样品加工表面实际晶向和理想晶向的偏角。
4、本发明测量精度高，操作方便简单，并且作为一种非接触式检测方法，对样品表面没有损伤。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为一维PSD传感器结构示意图；
图3为PSD传感器中光斑能量中心离光敏层中心的距离计算原理示意图；
图4为PSD传感器误差特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明一种非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法，该方法具体为：在样品加工前后，控制两束具有相同角度及高度的激光对称入射至样品加工表面，并反射至PSD传感器光敏层，根据PSD传感器采集的样品加工前后光斑能量中心的变化，获得样品加工表面倾角变化(精度在10角秒左右)及厚度变化(精度达1μm以下)。
PSD(Position Sensitive detector，位置敏感探测器)是一种能探测光点在其光敏层上连续位置的光电传感器，能够将光点能量中心的位置转化为电信号输出。PSD传感器具有位置分辨率高，响应速度快和处理电路简单等的优点。
PSD传感器有一维和二维之分，一维PSD传感器光敏层为长条形，反映光斑在光敏层纵向方向的连续位移。二维PSD传感器光敏层一般为正方形，能反映光斑在其光敏层上两个垂直方向上的连续位移。PSD传感器为一维PSD传感器时，采用的激光器为小角度发散的线状激光器。PSD传感器为二维PSD传感器时，采用的激光器为能量稳定出射的点状激光器。
当待测表面发生了平移或一定角度的旋转，两者都会影响光斑在PSD传感器上的位置。若影响的程度在同一数量级上，则必须综合考虑两者的影响。
激光打在样品表面会发生反射和散射，散射只会减弱激光入射到PSD传感器光敏层的光强，并不会带来激光光束能量中心的偏差。当研磨样品加工表面粗糙度较低时(Ra≤2μm)，反射是主要的，反射光的能量能在PSD传感器上激发足够的光电流。
两路激光以一致的角度和高度入射，并且光斑应当尽量接近PSD传感器光敏层中心位置。
假设激光落点x在光敏层中点左边为负，右边为正，这里的正负决定倾角变化的方向。为了方便讨论，假设待测样品表面发生如图1所示的变化，倾角变化角β大于0。
如图1所示，红色线条表示实际光路，两侧激光以与竖直方向呈α角入射到样品表面，经过样品表面反射后打在PSD传感器光敏层。样品初始表面与光敏面存在初始倾斜角θ，经过一段时间加工后待测样品表面与初始表面之间形成夹角β。x10为左侧激光打在样品初始表面反射到PSD传感器距离光敏层中心的距离；x1为左侧激光打在加工后待测样品表面反射到PSD传感器距离光敏层中心的距离；x20为右侧激光打在样品初始表面反射到PSD传感器距离光敏层中心的距离；x2为右侧激光打在待测样品加工后表面反射到PSD传感器距离光敏层中心的距离；α为激光与竖直方向的夹角。s1，s2为光线从反射点到光敏层辐照能量中心的距离。
本发明针对微小尺寸变化测量，假设了样品厚度变化Δh相对于s1，s2是小量，倾角变化量β·(s1+s2)＜＜s1+s2。经过调零后，令Δx1＝x1-x10＞0，Δx2＝x2-x20＜0近似有：
其中s1，s2利用正弦定理可以表示为(3)(4)两式：
若样品加工表面近似平行于PSD传感器光敏层，即θ→0°，则d1＝d2＝d，s1＝s2＝s＝d cscα/2。
(1)(2)两式化简为：
利用(3)～(6)式，可以快速地求解出加工样品表面厚度变化和倾角变化。
若α较小，会降低厚度变化的测量精度，但是会提高由于倾角微小变化测量精度；本实施例中激光入射角α选取在30°～60°之间，在实际应用中应当综合考虑加工需求和样品尺寸要求，选择合理的参数。
如图4所示，激光能量中心越接近PSD传感器光敏层中心，测量精度越高。若是样品加工过程中厚度以及微小倾角的变化带来的光斑位移在1mm以内，则可以忽略连续位移带给PSD传感器的线性误差。
应用本发明进行测量实验一般在暗室下进行，以避免外界环境光线对PSD传感器光敏层产生影响。实际实验过程中发现若激光功率较大，样品加工表面较为光滑，外界漫反射的光线对电压读数影响也会较小。
电压的波动、PSD传感器对位置估计精度是影响本发明测量精度的主要因素。应当对PSD传感器的供电电压波动进行一定的控制，选用稳定输出的电源，保证电路焊接正确，合理布线，使用过程中不得晃动引线。
本发明方法测量过程中应当注意样品加工表面的清洁，对于同一块样品先后的测量应当尽量保持样品相对测量位置不变，避免额外的误差。
d1，d2(如图1所示)分别表示左、右激光器出射孔到PSD传感器光敏层中心的距离，在测量过程中，有可能无法精确读取；另外由于激光器安装过程不能保证激光入射角α完全准确，也会带来计算误差，但这些都不影响测量精度，使用过程中这些值不会变化。利用本发明方法测量之前，需要进行标定工作。
对于一维的PSD传感器，输出差电流和和电流，为了便于电路放大，一般会转换成差电压和和电压。由于PSD传感器高精度测定要求，本发明可采用两个高精度电压表分别读取差电压和和电压，虽然两个电压表示数会随着激光光强而产生波动，但两个电压表读数比值在误差范围内是不变的。通过模数转换器和模拟除法器直接将最终的光斑能量中心位置输出效果会更好。
除了适用一维PSD传感器，本发明只需要略微修改计算原理和电路设计就可适用于二维PSD传感器，这时通过光斑的移动，可以对样品加工过程进行更严格的监控，因为一维PSD传感器只能反映样品沿某个方向加工表面倾角的变化，而二维PSD传感器则可以反映出加工前后样品表面二面角的变化，这为判断样品在加工过程中倾角变化最大方向提供了依据，继而能够对样品加工工艺提供一定的参考。
本发明所述方法适合于研磨抛光领域，用于测定一段时间研磨或抛光样品厚度变化。若待测样品是一种晶体，本发明可用于辅助修正晶体表面实际晶向与理想晶向的偏角。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法，其特征在于，该方法具体为：在样品加工前后，控制两束具有相同角度及高度的激光对称入射至样品加工表面，并反射至PSD传感器光敏层，根据PSD传感器采集的样品加工前后光斑能量中心的变化，获得样品加工表面倾角及厚度变化；
所述样品加工表面倾角变化β满足β·(s1+s2)＜＜s1+s2，厚度变化Δh相对于s1,s2是小量，其中，s1,s2为光线从反射点到光敏层辐照能量中心的距离；
所述根据PSD传感器采集的样品加工前后光斑能量中心的变化，获得样品加工表面倾角及厚度变化具体为：
Δx1＝x1-x10＞0，Δx2＝x2-x20＜0
其中，x10为左侧激光打在样品初始表面反射到PSD传感器距离光敏层中心的距离；x1为左侧激光打在加工后待测样品表面反射到PSD传感器距离光敏层中心的距离；x20为右侧激光打在样品初始表面反射到PSD传感器距离光敏层中心的距离；x2为右侧激光打在待测样品加工后表面反射到PSD传感器距离光敏层中心的距离；α为激光与竖直方向的夹角。
2.根据权利要求1所述的非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法，其特征在于，所述样品加工表面的粗糙度Ra≤2μm。
3.根据权利要求1所述的非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法，其特征在于，所述PSD传感器为一维PSD传感器，采用的激光器为线状激光器。
4.根据权利要求1所述的非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法，其特征在于，所述PSD传感器为二维PSD传感器，采用的激光器为点状激光器。
5.根据权利要求1所述的非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法，其特征在于，该方法还包括对初始参数进行标定。
6.根据权利要求1所述的非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法，其特征在于，所述PSD传感器连接有电压稳定输出的电源。
7.根据权利要求1所述的非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法，其特征在于，所述激光与竖直方向的夹角范围为30°～60°。
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