CN109781015B - 一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面台阶的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面台阶的方法，包括：搭建光谱共焦线扫描装置；检测标准平面反射镜，沿轴向移动标准平面反射镜位置，同时监测标准平面反射镜的坐标位置，标定出色散聚焦元件的色散聚焦范围以及光谱共焦线扫描装置的波长‑位置关系曲线；将标准平面反射镜替换为样品进行检测，并将样品表面置于色散聚焦元件的色散聚焦范围内；通过分析光谱仪返回信号的强度点扩散函数，利用质心法计算峰值坐标位置得到返回信号波长，并根据波长‑位置关系曲线，解码出样品表面的最大高度差，完成样品表面台阶的快速测量。本发明结构简单、测量速度快、精度高、适用范围广，可适用于透明或不透明台阶、沟槽、倾斜表面等精密测量。

Description

一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面台阶的方法

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体涉及一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面台阶的方法。

背景技术

共焦显微技术(Confocal Microscopy)是实现光学层析显微技术的最典型方法，最早的共焦显微成像装置于20世纪50年代中后期由美国哈佛大学初级研究员M.Minsky提出于1961年，并获得美国发明专利权。光谱共焦技术在共焦显微镜基础上发展而来，结合了共焦显微技术的共焦原理和色散聚焦原理的一种非接触式测量方法。与共焦显微技术相比，光谱共焦技术不需要轴向扫描装置，提高了普通共焦显微镜的测量效率。目前，光谱共焦技术在现代生物及医学、物理、化学、材料科学、纳米技术、精密测量等领域产生了广泛影响。

传统的光谱共焦测量方法的突出特点是采用复色光通过多个透镜色散聚焦到光轴上产生轴向连续的焦点，这种连续的焦移作为样品表面高度的编码方式进行测量。基于此方式的传统的测量方式是单点测量，测量时只能提取样品表面上一点的高度信息，该光谱共焦系统测量物体整体表面形貌时需要配备X-Y面或横向二维扫描系统，因此限制了测量速度和工业现场实时测量方面的应用。因此针对台阶样品，为有效提高测量速度，满足工业上产品快速、实时测量的迫切需求，有必要提出一种能达到上述目的的检测技术。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提供了一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面台阶的方法，该方法采用复合光平行面光源通过色散聚焦元件产生聚焦线，并因为光源波长不同产生焦移，可实现对样品表面一条线上的表面高度进行检测，与传统的光谱共焦测量相比，结构更加简单、测量速度快，适用范围广。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面台阶的方法，包括以下步骤：

1)搭建光谱共焦线扫描装置，该装置包括复合光光源、准直透镜、分光镜、色散聚焦元件、消色差聚焦透镜、光纤和光谱仪；使用时，复合光光源发出的复合光依次经准直透镜、分光镜和色散聚焦元件后会聚在台阶样品或标准平面反射镜上，反射光场经色散聚焦元件、分光镜、消色差聚焦透镜和光纤，进入光谱仪进行信号探测；

2)采用光谱共焦线扫描装置检测标准平面反射镜；沿轴向移动标准平面反射镜位置，采用位置检测设备或仪器同时监测标准平面反射镜的坐标位置，标定出光谱共焦线扫描装置的波长-位置关系曲线以及色散聚焦元件的色散聚焦范围；

3)将标准平面反射镜替换为台阶样品进行检测，并将样品表面置于色散聚焦元件的色散聚焦范围内；聚焦在样品表面上的光场携带样品表面高度信息经色散聚焦元件并由分光镜反射进入光纤，由光谱仪探测光场；

4)通过分析并提取光谱仪返回信号的最大波长与最小波长，并根据步骤2)得到的波长-位置关系曲线，确定出台阶样品的表面高度。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，复合光光源发出的复合光是连续光谱。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，色散聚焦元件为柱面透镜或一维衍射光学元件。

本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法如下：

采用光谱共焦线扫描装置检测标准平面反射镜；沿轴向平移标准平面反射镜，同时观测光谱仪，光谱仪显示出点扩散函数曲线时标准平面反射镜的任意一个位置选定为标准平面反射镜初始位置；从初始位置z₀开始，分别向两侧拓展进行标准平面反射镜移动，同时用位置检测设备或仪器监测标准平面反射镜的坐标位置；每次移动标准平面反射镜，光谱共焦线扫描装置均进行多次信号采集测量，通过多次信号测量的平均峰值波长与对应标准平面反射镜位置形成波长-坐标位置数据表，直到光谱仪未探测到有效光强信息后停止标准平面反射镜移动；将波长-坐标位置数据表中的数据进行曲线拟合，得到线扫描测量系统的波长-位置关系曲线以及色散聚焦元件色散聚焦范围。

本发明进一步的改进在于，测量点信号采集次数取5～10次；标准平面反射镜移动位置坐标z_i表示如下：

z_i＝z₀+Δz

其中，Δz＝ld，l＝0，±1,±2,±3…，z₀为初始位置坐标，d为移动标准平面反射镜相邻的位置间隔距离0＜d≤L₀/10，L₀为色散聚焦范围的粗标定估计值，可通过粗标定得到：沿轴向缓慢靠近或远离色散聚焦元件移动平面反射镜，当光谱仪出现点扩散函数和点扩散函数消失的平面反射镜坐标位置之差的绝对值。

本发明进一步的改进在于，平均峰值波长和标准平面反射镜坐标位置的多项式拟合公式如下：

样本数据(λ_i,z_i)，λ_i为每次移动平面反射镜，光谱仪多次信号测量的平均峰值波长；i为平均峰值波长编号和标准平面反射镜位置编号，i＝-q,…-1,0,1,…,m，其中q和m分别为移动平面反射镜轴向靠近和偏离色散聚焦元件时所记录的平均峰值波长和标准平面反射镜位置最大编号的绝对值；

拟合多项式

a_k为拟合多项式系数；

求解方程组：

解出a_k，k＝0,1,…,n，从而可得多项式

则光谱共焦线扫描装置的波长-位置关系曲线为

则色散聚焦范围为

其中λ_min，λ_max分别为复合光光源的最小和最大波长。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，位置检测设备或仪器包括双频激光干涉仪或压电陶瓷精密位移台。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，色散聚焦范围内具体为：样品表面位于复合光经准直透镜和分光镜后通过色散聚焦元件后产生的轴向色带区间范围内，即量程范围内；当观测到光谱仪产生两个峰值信号即为样品表面位于色散聚焦范围内。

本发明进一步的改进在于，步骤2)与步骤4)中，光谱仪数据提取采用质心法，其计算表示如下：

其中，y表示光谱仪所探测到的光场点扩散函数的质心位置，t表示CCD上第t个像元，I_t表示第t个像元上的灰度值，s为像元个数。

本发明进一步的改进在于，该方法能够拓展测量透明或不透明台阶、沟槽、倾斜表面以及检测微位移、薄膜厚度、微倾斜。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面台阶的方法，采用色散聚焦元件进行复合光的色散聚焦生成聚焦线并产生焦移，能够实现对被测样品表面一条线上的高度测量。基于此方式的快速测量方式是线扫描测量，可同时提取样品表面上所有点的高度信息，通过提取最大波长与最小波长，得到样品表面的最大高度差，可快速测量样品表面的台阶高度。区别于传统的单点测量方式显著的简化的测量结构、加快了测量速度，适用范围广，满足工业上产品快速、实时测量的迫切需求。该方法具有结构简单、测量速度快、测量精度高、适用范围广的优点，可适用于透明或不透明台阶、沟槽、倾斜表面以及检测微位移、薄膜厚度、微倾斜。

附图说明

图1为本发明原理示意图。

图2为本发明实施例中一种色散聚焦柱面镜结构示意图，其中图2(a)为主视图，图2(b)为侧视图。

图3为本发明实施例中波长与坐标位置数据表拟合曲线。

附图标记说明：

1.复合光光源；2.准直透镜；3.分光镜；4.色散聚焦元件；5.台阶样品或标准平面反射镜；6.消色差聚焦透镜；7.光纤；8.光谱仪。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1至图3，本发明提供的一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面台阶的方法，包括以下步骤：

1)搭建光谱共焦线扫描装置，该装置包括复合光光源1、准直透镜2、分光镜3、色散聚焦元件4、消色差聚焦透镜6、光纤7和光谱仪8；使用时，复合光光源1发出的复合光依次经准直透镜2、分光镜3和色散聚焦元件4后会聚在台阶样品或标准平面反射镜5上，反射光场经色散聚焦元件4、分光镜3、消色差聚焦透镜6和光纤7，进入光谱仪8进行信号探测；

其中，复合光光源1发出的复合光是连续光谱；色散聚焦元件4为柱面透镜或一维衍射光学元件。

2)采用光谱共焦线扫描装置检测标准平面反射镜；沿轴向移动标准平面反射镜位置，用位置监测仪器同时监测标准平面反射镜的坐标位置，标定出光谱共焦线扫描装置的波长-位置关系曲线以及色散聚焦元件4的色散聚焦范围；

采用光谱共焦线扫描装置检测标准平面反射镜；沿轴向平移标准平面反射镜，同时观测光谱仪8，光谱仪8显示出点扩散函数曲线时标准平面反射镜的任意一个位置选定为标准平面反射镜初始位置；从初始位置z₀开始，分别向两侧拓展进行标准平面反射镜移动，同时用位置检测设备或仪器监测标准平面反射镜的坐标位置；每次移动标准平面反射镜，光谱共焦线扫描装置均进行多次信号采集测量，通过多次信号测量的平均峰值波长与对应标准平面反射镜位置形成波长-坐标位置数据表，直到光谱仪8未探测到有效光强信息后停止标准平面反射镜移动；将波长-坐标位置数据表中的数据进行曲线拟合，得到线扫描测量系统的波长-位置关系曲线以及色散聚焦元件4色散聚焦范围。

测量点信号采集次数取5～10次；标准平面反射镜移动位置坐标z_i表示如下：

z_i＝z₀+Δz

其中，Δz＝ld，l＝0，±1,±2,±3…，z₀为初始位置坐标，d为移动标准平面反射镜相邻的位置间隔距离0＜d≤L₀/10，L₀为色散聚焦范围的粗标定估计值，可通过粗标定得到：沿轴向缓慢靠近或远离色散聚焦元件移动平面反射镜，当光谱仪出现点扩散函数和点扩散函数消失的平面反射镜坐标位置之差的绝对值。

平均峰值波长和标准平面反射镜坐标位置的多项式拟合公式如下：

样本数据(λ_i,z_i)，λ_i为每次移动平面反射镜，光谱仪多次信号测量的平均峰值波长；i为平均峰值波长编号和标准平面反射镜位置编号，i＝-q,…-1,0,1,…,m，其中q和m分别为移动平面反射镜轴向靠近和偏离色散聚焦元件4时所记录的平均峰值波长和标准平面反射镜位置最大编号的绝对值。

拟合多项式

a_k为拟合多项式系数。

求解方程组：

解出a_k，k＝0,1,…,n，从而可得多项式

则光谱共焦线扫描装置的波长-位置关系曲线为

则色散聚焦范围为

其中λ_min，λ_max分别为复合光光源1的最小和最大波长；

光谱仪数据提取采用质心法，其计算表示如下：

其中，y表示光谱仪所探测到的光场点扩散函数的质心位置，t表示CCD上第t个像元，I_t表示第t个像元上的灰度值，s为像元个数；

3)、将标准平面反射镜替换为台阶样品进行检测，并将样品表面置于色散聚焦元件4的色散聚焦范围内；聚焦在样品表面上的光场携带样品表面高度信息经色散聚焦元件4并由分光镜反射进入光纤7，由光谱仪8探测光场；

色散聚焦范围内具体为：样品表面位于复合光经准直透镜2和分光镜3后通过色散聚焦元件4后产生的轴向色带区间范围内，即量程范围内；当观测到光谱仪产生两个峰值信号即为样品表面位于色散聚焦范围内；

4)、通过分析并提取光谱仪8返回信号的最大波长与最小波长，并根据步骤2)得到的波长-位置关系曲线，确定出台阶样品的表面高度；

该方法可拓展测量透明或不透明台阶、沟槽、倾斜表面以及检测微位移、薄膜厚度、微倾斜。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

复合光光源1为白光LED，波长覆盖范围为430～660nm；准直透镜2数值孔径为0.2；分光镜3分光比为50:50；消色差聚焦镜6采用消色差显微物镜；光纤7为芯径为50μm的多模光纤；消色差聚焦透镜6与光纤7的数值孔径NA相匹配；光谱仪8选用检测范围为350～700nm的光纤光谱仪。

图2为一种半圆柱形的色散聚焦元件4的结构示意图，采用Thorlabs公司LJ1125L2-A型号的平凸柱面镜，材料N-BK7，宽度为20mm，长度为40mm，对波长范围为430～660nm的色散聚焦范围为971.4μm。表1是通过Zemax仿真提取波长和焦移数据得到的波长与其通过色散聚焦元件4的焦距的对应关系表。

表1波长与坐标位置关系图(λ_i单位：μm；z_i单位：mm，初始坐标位置z₀设定为0)

图3为波长与坐标位置数据表拟合曲线；该波长与坐标位置的三次拟合多项式为：

z＝-9.6636+39.717λ-55.234λ²+27.328λ³

具体工作过程如下：

430～660nm的复色光光源1经准直透镜2后，光线经分光镜3后通过色散聚焦元件4聚焦成线，由于不同波长在色散聚焦元件4中传播时折射率的不同，因此产生的聚焦线的位置不同，将会产生连续的焦移，不同波长通过色散聚焦元件产生聚焦线焦移为971.4μm。

聚焦于样品表面的焦点对应波长的光场能够沿原光路返回，样品是一个台阶状表面形貌的物体，将会返回2个反射光场，该反射光场通过色散聚焦元件4、分光镜3、聚焦透镜6，最终通过光纤7进入光谱仪8进行探测，通过光谱仪8分析反射信号的波长，根据反射光波长和被测物体的表面高度标定后拟合的波长-位置曲线，通过反射信号的最大与最小波长来确定被测样品表面高度差为300μm。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面台阶的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)搭建光谱共焦线扫描装置，该装置包括复合光光源(1)、准直透镜(2)、分光镜(3)、色散聚焦元件(4)、消色差聚焦透镜(6)、光纤(7)和光谱仪(8)，其中色散聚焦元件(4)为能够生成垂直于光轴的聚焦线，并且沿光轴方向产生色散焦移的柱面透镜或一维衍射光学元件；使用时，复合光光源(1)发出的复合光依次经准直透镜(2)、分光镜(3)和色散聚焦元件(4)后会聚在台阶样品或标准平面反射镜(5)上，反射光场经色散聚焦元件(4)、分光镜(3)、消色差聚焦透镜(6)和光纤(7)，进入光谱仪(8)进行信号探测；

2)采用光谱共焦线扫描装置检测标准平面反射镜；沿轴向移动标准平面反射镜位置，采用位置检测设备同时监测标准平面反射镜的坐标位置，标定出光谱共焦线扫描装置的波长-位置关系拟合曲线以及色散聚焦元件(4)的色散聚焦范围；

3)将标准平面反射镜替换为台阶样品进行检测，并将样品表面置于色散聚焦元件(4)的色散聚焦范围内；聚焦在样品表面上的光场携带样品表面高度信息经色散聚焦元件(4)并由分光镜反射进入光纤(7)，由光谱仪(8)探测光场；

4)通过分析并提取光谱仪(8)返回信号的最大波长与最小波长，并根据步骤2)得到的波长-位置关系拟合曲线，确定出台阶样品的表面高度。

2.根据权利要求1所述的一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面台阶的方法，其特征在于，步骤1)中，复合光光源(1)发出的复合光是连续光谱。

3.根据权利要求1所述的一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面台阶的方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法如下：

采用光谱共焦线扫描装置检测标准平面反射镜；沿轴向平移标准平面反射镜，同时观测光谱仪(8)，光谱仪(8)显示出点扩散函数曲线时标准平面反射镜的任意一个位置选定为标准平面反射镜初始位置；从初始位置z₀开始，分别向两侧拓展进行标准平面反射镜移动，同时用位置检测设备监测标准平面反射镜的坐标位置；每次移动标准平面反射镜，光谱共焦线扫描装置均进行多次信号采集测量，通过多次信号测量的平均峰值波长与对应标准平面反射镜位置形成波长-坐标位置数据表，直到光谱仪(8)未探测到有效光强信息后停止标准平面反射镜移动；将波长-坐标位置数据表中的数据进行曲线拟合，得到线扫描测量系统的波长-位置关系拟合曲线以及色散聚焦元件(4)色散聚焦范围。

4.根据权利要求3所述的一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面台阶的方法，其特征在于，测量点信号采集次数取5～10次；标准平面反射镜移动位置坐标z_i表示如下：

z_i＝z₀+Δz

其中，i＝-q,…-1,0,1,…,m，其中q和m分别为移动平面反射镜轴向靠近和偏离色散聚焦元件(4)时所记录的平均峰值波长和标准平面反射镜位置最大编号的绝对值；Δz＝ld，l＝0，±1,±2,±3…，z₀为初始位置坐标，d为移动标准平面反射镜相邻的位置间隔距离0＜d≤L₀/10，L₀为色散聚焦范围的粗标定估计值，可通过粗标定得到：沿轴向缓慢靠近或远离色散聚焦元件移动平面反射镜，当光谱仪出现点扩散函数和点扩散函数消失的平面反射镜坐标位置之差的绝对值为色散聚焦范围的粗标定估计值L₀。

5.根据权利要求4所述的一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面台阶的方法，其特征在于，平均峰值波长和标准平面反射镜坐标位置的多项式拟合公式如下：

样本数据(λ_i,z_i)，λ_i为每次移动平面反射镜光谱仪多次信号测量的平均峰值波长；i为平均峰值波长编号和标准平面反射镜位置编号；

拟合多项式

a_k为拟合多项式系数；

求解方程组：

解出a_k，k＝0,1,…,n，从而可得多项式

则光谱共焦线扫描装置的波长-位置关系曲线为

则色散聚焦范围为

其中λ_min，λ_max分别为复合光光源(1)的最小和最大波长。

6.根据权利要求1所述的一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面台阶的方法，其特征在于，步骤2)中，位置检测设备包括双频激光干涉仪或压电陶瓷精密位移台。

7.根据权利要求1所述的一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面台阶的方法，其特征在于，步骤3)中，色散聚焦范围内具体为：样品表面位于复合光经准直透镜(2)和分光镜(3)后通过色散聚焦元件(4)后产生的轴向色带区间范围内，即量程范围内；当观测到光谱仪产生两个峰值信号即为样品表面位于色散聚焦范围内。

8.根据权利要求1所述的一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面台阶的方法，其特征在于，步骤2)与步骤4)中，光谱仪数据提取采用质心法，其计算表示如下：

其中，y表示光谱仪所探测到的光场点扩散函数的质心位置，t表示CCD上第t个像元，I_t表示第t个像元上的灰度值，s为像元个数。

9.根据权利要求1所述的一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面台阶的方法，其特征在于，该方法能够拓展测量透明或不透明台阶、沟槽、倾斜表面以及检测微位移、薄膜厚度。

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