CN109945797A - 一种表面形貌测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到表面形貌测量技术领域，其提供了一种表面形貌测量装置，包括：光源，用于产生宽谱带的出射光，传输到准直单元；准直单元，用于将出射光准直为平行光束，平行光束入射到探测单元；探测单元与待测物体表面设置成一定的角度，且探测单元使入射的光产生色散并聚焦后照射到待测物体表面；待测物体表面反射的光进入到接收单元，接收单元具有较大的数值孔径，对待测物体表面反射的光进行会聚和光路偏转；从接收单元出射的光进入到聚焦单元，聚焦单元将光聚焦到信息处理单元；信息处理单元将入射的光信号转换为电信号，并进行数据处理，以获取测量结果；位移单元在完成一次测量后，将整个装置移动一段距离，测量待测物体表面的其它部位。

Description

一种表面形貌测量装置

技术领域

本发明涉及到表面形貌测量或三维表面轮廓测定技术领域，尤其涉及一种表面形貌测量装置。

背景技术

物体的表面质量在现代的加工，机械，电子和材料等领域有着十分重要的意义，通过表面检测手段来获取表面的形态特征是研究物体表面质量的基础。在表面测量的技术和原理之中，传统的触针式轮廓仪是通过触针的机械压力来测量的，属于接触测量的方式。另一种是非接触的方式，主要有光学法，扫描电子显微镜法等，其中光学测量的方法由于测量精度高，量程大，分辨率高等特点，得到了较大的发展和应用，现代的光学测量方法是结合了经典的光学理论，图像处理，自动控制，微型精密机械和计算机技术的综合型方法，已经在不同领域的测量过程中发挥了重要作用。

光学测量方法依据不同的基本原理可以分为三种：1)以光波干涉原理为主的轮廓检测技术，主要有双光束干涉技术，白光干涉技术，外差干涉技术和微分干涉显微技术等；2)以结构光投影原理为主的轮廓检测技术，主要有三角法和光切法。3)以聚焦光束作为探针的轮廓检测技术，主要有离焦检测技术和共焦显微技术等。

共焦显微技术突破了传统的普通光学显微镜的分辨极限和有限焦深的限制，在横向分辨率和纵向层析分辨上有更强的成像能力，共焦显微的基本原理为入射光经过透镜或透镜组聚焦在观测样品上，激发样品的荧光，荧光被另一组透镜收集后，成像在探测器的滤波小孔上，两个透镜组的焦点落在同一个位置即样品上，故名共聚焦，简称为共焦。光谱共焦原理则是在共焦显微技术的基础上发展而来的，采用复色光源，一般为白光或谱带更宽的光源，通过系统中的色散元件得到轴向的色散分布，通过色散分布将波长与位移一一对应，并结合共焦的原理获得高对比度的信号，省去了共焦显微技术中的轴向扫描过程，大大提高了检测速度，使这项技术得以在工业检测过程中应用。

目前已有许多公开的专利和论文研究了光谱共焦技术的发展和具体应用。但是，现有大多数的扫描方式是属于点扫描，而点扫描光谱共焦方法在数据采集速度上是处于劣势的。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本发明实施例提出一种基于线扫描方式的表面形貌测量装置，以快速得到物体表面形貌的高精度数据。

为了达到上述目的，本发明实施例提供一种表面形貌测量装置，包括光源、准直单元、探测单元、接收单元、聚焦单元、信息处理单元以及位移单元：其中，所述光源，用于产生宽谱带的出射光，传输到所述准直单元；所述准直单元，用于将所述出射光准直为平行光束，所述平行光束入射到所述探测单元；所述探测单元与待测物体表面设置成一定的角度，且所述探测单元使入射的光产生色散并聚焦后照射到所述待测物体表面；所述待测物体表面反射的光进入到所述接收单元，所述接收单元具有较大的数值孔径，对所述待测物体表面反射的光进行会聚和光路偏转；从所述接收单元出射的光进入到所述聚焦单元，所述聚焦单元将光聚焦到所述信息处理单元；所述信息处理单元将入射的光信号转换为电信号，并进行数据处理，以获取测量结果；所述位移单元在完成一次测量后，将整个装置移动一段距离，测量所述待测物体表面的其它部位。

进一步地，在一实施例中，所述光源为白光光源或白光-红外光源。

进一步地，在一实施例中，所述准直单元为透镜、透镜组或者反射镜组成的准直系统。

进一步地，在一实施例中，所述探测单元对入射的光的色散为非轴向色散，生成的不同波长的光的焦点所形成的直线与所述待测物体表面垂直。

进一步地，在一实施例中，所述探测单元包括色散元件和透镜；所述色散元件用于使入射的光产生色散；所述透镜用于将色散后的光聚焦，并将聚焦后的光呈一定角度照射到所述待测物体表面。

进一步地，在一实施例中，所述色散元件为等边棱镜。

进一步地，在一实施例中，所述接收单元包括透镜和棱镜；所述透镜具有较大的数值孔径，对所述待测物体表面反射的光进行会聚；所述棱镜对所述透镜会聚的光进行光路偏转。

进一步地，在一实施例中，所述信息处理单元包含将光信号转换为电信号的传感器，以及负责数据处理和自动化控制的处理器。

进一步地，在一实施例中，所述传感器为狭缝光谱仪。

进一步地，在一实施例中，所述位移单元为高精度的位移控制平台，至少提供二维或二维以上的精密移动。

本发明实施例提出一种表面形貌测量装置，采用线扫描的方式，可以快速得到物体表面形貌的高精度数据，为工业应用中实时在线测量提供了依据和方法。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的表面形貌测量装置的结构示意图；

图2为本发明另一实施例的表面形貌测量装置的结构示意图；

图3为图1所示的光束聚焦后焦点所成的平面106的示意图；

图4为本发明实施例的表面形貌测量装置扫描待测表面时的扫描动作的示意图；

图5为探测光在待测物体表面上某位置处测量表面高度的示意图；

图6为光进入光谱仪时以及光入射到狭缝平面时的示意图；

图7为入射到狭缝平面的光分布的示意图；

图8为整个表面形貌测量装置完成一次完整测量的流程图；

图9为测量一个平面反射镜时光谱仪所得的结果。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

本领域技术技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。

下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。

首先，对本发明所涉及附图中的坐标系进行说明，所有附图中的坐标系都采用右手坐标系，在附图所有的平面图中，竖直向下为z轴(右手坐标系中大拇指所指方向)，水平向右为y轴(右手坐标系中四指的指向)，垂直于纸面向外为x轴(右手坐标系中四指弯曲后指向手心的方向)。附图中的三维示意图也标注了对应的坐标系，以便对装置的不同位置，不同平面进行详细说明。

另外，文中所提到的线，点等概念，都应做广义的理解，而不特指理论上的点和线，例如，点是有半径大小的，而线也是有宽度的，只是在长宽比非常大，且宽度不影响理解概念和结果时使用该形容限定。

图1为本发明实施例的表面形貌测量装置100的结构示意图。如图1所示，其包括：光源101、准直单元102、探测单元103、接收单元107、聚焦单元108、信息处理单元109以及位移单元110。其中：光源101，用于产生宽谱带的出射光，传输到所述准直单元102；准直单元102，用于将所述出射光准直为平行光束，所述平行光束入射到所述探测单元103；所述探测单元103，与待测物体表面设置成一定的角度，且所述探测单元103使入射的光产生色散并聚焦后照射到所述待测物体表面；所述待测物体表面反射的光进入到所述接收单元107，所述接收单元107具有较大的数值孔径，对所述待测物体表面反射的光进行会聚和光路偏转；从所述接收单元107出射的光进入到所述聚焦单元108，所述聚焦单元108将光聚焦到所述信息处理单元109；所述信息处理单元109将入射的光信号转换为电信号，并进行数据处理，以获取测量结果；所述位移单元110在完成一次测量后，将整个装置移动一段距离，测量所述待测物体表面的其它部位。

参看图1所示，光源101发出的光104进入准直单元102，准直单元102除将入射光束变成平行光外，还可以对光束进行整形切趾等动作，使出射的光束满足光路的要求，例如光束的形状为圆形或矩形。平行光进入探测单元103后，探测单元103将光在空间中色散开并进行聚焦，由图1可见，104A和104B分别代表不同波长的光，它们所成的焦点成一条直线106，这条直线106是垂直于待测物体表面105的，本发明所用的色散元件并不仅仅造成轴向的色散，因此从探测单元103出射的光需要以一定的角度入射到待测物体表面。当探测光如此照射在待测物体表面上时，不同波长的光有不同的表现，图1中104A所代表波长的光焦点正好在待测表面上，而104B所代表波长的光焦点在正上方，在待测表面上则会变为一条宽的色带，可见104B的延长线。光束被待测物体表面反射后需要接收单元107收集反射光，接收单元107需要较大的数值孔径来接收发散角度较大的反射光，并将光束准直以利于在后续光路中的传输。聚焦单元108，一般采用透镜，将光束投射到信息处理单元109中，信息处理单元109将光信号转换为电信号，并进行相关处理得到测量结果。整个表面形貌测量装置100还包含了机械的位移单元110，使装置能沿设定方向移动，从而对待测物体表面的整个面进行扫描。特别需要说明的是，图1是装置yz平面上的原理图，x方向是垂直于yz平面的，在x方向上有光束和装置的其他信息。

在本发明实施例中，所述光源101必须为宽谱带的光源，例如白光光源或白光-红外光源，且为辐射度均匀且稳定的光源；所述准直单元102为透镜、透镜组或者反射镜组成的准直系统。

探测单元103的作用是将光束变为可探测表面信息的光辐射，需要对入射平行光束进行色散和聚焦动作，并使不同波长焦点的直线(平面)垂直于待测表面。探测单元103是表面形貌测量装置的核心单元之一，探测单元103的最简单的组成形式为色散棱镜与透镜。其中，棱镜用于进行色散，而透镜用于聚焦。并且，所述探测单元103对入射的光的色散为非轴向色散，生成的不同波长的光的焦点所形成的直线(即“探针”)与所述待测物体表面垂直。不同波长所成的探针长度为装置的理论测量极限，装置的实际量程要在所述理论测量范围内选取。

聚焦单元108，用于将光聚焦到信息处理单元109，其至少为一块聚焦透镜。

信息处理单元109，至少包含一个传感器109A用于将光信号转换为电信号，以及配套软件进行数据处理和位移单元的控制。其中，所述传感器为狭缝光谱仪。如图1所示，可利用处理器109B进行数据处理和位移单元110的控制，而处理器109B可设置在计算机设备中。

位移单元110，用于移动表面形貌测量装置的位置，即探测光的位置，以扫描整个待测物的表面信息，位移单元110为精密的自动位移平台，至少可以提供二维或二维以上的精密移动。

在本发明中，所提及的基于线扫描为探测单元中出射的光为一条线，同时获取表面一条线上的数据，为此在光路中加入光阑，控制光束的形状，一般加在准直单元中。

图2为本发明另一实施例的表面形貌测量装置200的结构示意图。如图2所示，光源201为宽谱光源，发出的光204经准直透镜202后变为平行光束，平行光束入射到一个等边棱镜上，等边棱镜对不同波长的光产生色散，图中可以看到代表不同波长的两束光204A和204B以不同的角度从棱镜中出射，然后被一个透镜聚焦，等边棱镜与透镜组成了一个简单的探测单元203，且满足探测单元的要求：色散与聚焦。探测单元203将光照射到待测物体表面205上，图中204A和204B在待测物体表面的垂直方向206上聚焦，在表面的某个高度，只有特定波长光的焦点正好落在表面上，被表面反射，最后在信息处理单元209上得到较强的信号，如图2中所示的204A所代表的光波长。其余波长在待测表面上则变为较宽的色带，如图2中204B的延长到表面上的光线所示。经待测物体表面反射的光由接收单元207接收，本实施例中选用透镜和棱镜组成接收单元，由于待测物体表面反射的光发散严重，透镜的数值孔径要比较大，从透镜出射的光再经过一个棱镜，这里的棱镜起到一个改变光束角度的作用，也可使用其他器件来完成对光束的偏转。最后由聚焦单元208将光会聚到狭缝光谱仪209A上，将光信号转换为电信号，由209B完成数据的处理，获取测量结果。整个装置200所包括的器件如图2所示，并安装有精密位移平台210，在完成了对表面某一位置的测量后，移动装置的位置即移动探测光的位置，完成对整个待测表面的检测过程。

请参看图3，图3所示为图1中的平面106的示意图。图1所示的装置是在yz平面上的示意图，显示了x轴上某一点的情况，而线扫描所用的一字线光在x轴上是有长度的。图3中所示的光谱图从上到下波长逐渐变长，这是由色散棱镜对短波长光的折射更大所导致的。平面106所示的谱带在实际中是无法观察到的，能观察到的谱带是照射到待测物体表面上已经被拉伸变形的谱带。

请参看图4，图4所示为利用图1所示实施例的表面形貌测量装置扫描待测物体表面时的扫描动作的示意图。装置100上有精密位移平台，从探测单元103出射的一字线光，探测的是待测表面上y轴上某点位置处沿x轴的表面信息，由位移平台110使探测光沿y轴方向移动，完成整个扫描过程。图中所示探测的线光与待测表面的宽度相同，但位移台实际上可以进行两维的扫描动作，从而在探测线光宽度有限的情况下实现对较大待测表面的扫描。位移平台的位移精度则决定了待测表面沿y轴的测量精度，但最小位移间隔也要受到扫描速度的限制和信号混叠的限制。

请参看图5，图5所示为探测光在待测物体表面上某位置处测量表面高度的示意图，如前所述，线扫描之所以能提高扫描速度，原因在于探测的一字线光401是同时测量表面一条线上的多点数据的，如图中A，B，C三点的示意图，在这条线上A，B，C三点的高低不同，三点的高度信息便由不同的聚焦波长反应出来。需要说明的是虽然照射的光是连续的，但由于信息处理单元采集的数据是离散的，所以准确地说是采集了一条线上的多个点数据来表示测量的一条线。还需要说明的是，这里提到的探测一字线光并非是待测表面上所显示的色带，而是指对测量起作用的特定波长所成的一条线。

请参看图6，图6所示为光进入光谱仪时的示意图。在本实施例中使用了狭缝光谱仪，在图中可以看到狭缝501及入射到狭缝平面502上的光，狭缝有滤光作用，只能允许一定谱宽的光进入到光谱仪中，光谱仪的分辨能力越好，得到光谱曲线特征峰的半高宽越小，整个装置的测量精度也越高。判断波峰的特征波长就得到了对应点的高度信息，前提是高度信息与波长的对应关系已经标定完成。

请参看图7，图7所示为入射到狭缝平面502的光分布的示意图，在图中可以看到有5条明显的不同谱带，并且进入狭缝的光波长不同，在光谱曲线的特征波长上将它们分辨出来，便可以得到5个点的高度信息。光谱仪中相机沿狭缝方向的成像单元数至少在几百个，即实际情况中至少会有几百条谱带，但由于相邻谱带的差异极小，所以能分辨的不同谱带的数目要小于前述的数字，能分辨的不同谱带的数目也决定了装置在x轴的测量精度。

请参看图8，图8所示为整个表面形貌测量装置完成一次完整测量的流程图。流程从准备工作开始，在步骤601中，需要检查装置的软硬件是否正常工作，放置待测样品。在步骤602中，系统初始化，则需要重点调整装置的工作距离，即装置与样品的距离，还需要设置探测光从样品表面的哪个位置开始扫描，哪个位置结束扫描。装置的准备和初始化工作完成后，便可进入到下一步骤603中，前面已详细阐述了工作原理，这里不再重复，数据采集的速度是极快的，对一条线上采集完成后，位移单元会移动探测光位置去采下一位置的数据，即步骤604，整个扫描的动作是连贯的，当程序判断整个测量过程结束后，即步骤605，装置的扫描完成，同时整个样品表面形貌的数据也存储到了软件中，最后的步骤606为数据处理，将整个样品的表面轮廓利用相应软件进行3D建模，最终完成测量过程。

请参看图9，图9所示为测量一个平面反射镜时狭缝光谱仪所得的结果。由于平面反射镜是一个近乎理想的平面，其特征波长差别极小，所以反映在图中的光谱轴上是一条直线。图中的这条亮的细线可以看到并非为严格的直线，这是由棱镜色散引起的谱线弯曲现象。在图中亮细线的下方还可以看到有一条比较暗的细线，这说明探测光测到了两个表面的数据，也即反射镜后表面的形貌数据也传输到了光谱仪中，当然后表面所反射的光的信号强度已经大为减弱，这种情况只出现在类似玻璃这样可透射光的材料，对于其他的材料仍是以表面的反射为主。

本发明实施例的表面形貌测量装置，将宽谱带的光进行色散，利用不同波长与待测表面高度的对应关系来进行表面形貌的测量，以及探测光以倾斜入射的方式照射待测表面，可用于高精度的表面形貌测量，同时采用线扫描的方式提高扫描速度，为工业应用中实时在线测量提供了依据和方法。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种表面形貌测量装置，其特征在于，包括光源、准直单元、探测单元、接收单元、聚焦单元、信息处理单元以及位移单元：其中，

所述光源，用于产生宽谱带的出射光，传输到所述准直单元；

所述准直单元，用于将所述出射光准直为平行光束，所述平行光束入射到所述探测单元；

所述探测单元与待测物体表面设置成一定的角度，且所述探测单元使入射的光产生色散并聚焦后照射到所述待测物体表面；

所述待测物体表面反射的光进入到所述接收单元，所述接收单元具有较大的数值孔径，对所述待测物体表面反射的光进行会聚和光路偏转；

从所述接收单元出射的光进入到所述聚焦单元，所述聚焦单元将光聚焦到所述信息处理单元；

所述信息处理单元将入射的光信号转换为电信号，并进行数据处理，以获取测量结果；

所述位移单元在完成一次测量后，将整个装置移动一段距离，测量所述待测物体表面的其它部位。

2.根据权利要求1所述的表面形貌测量装置，其特征在于，所述光源为白光光源或白光-红外光源。

3.根据权利要求1所述的表面形貌测量装置，其特征在于，所述准直单元为透镜、透镜组或者反射镜组成的准直系统。

4.根据权利要求1所述的表面形貌测量装置，其特征在于，所述探测单元对入射的光的色散为非轴向色散，生成的不同波长的光的焦点所形成的直线与所述待测物体表面垂直。

5.根据权利要求1所述的表面形貌测量装置，其特征在于，所述探测单元包括色散元件和透镜；

所述色散元件用于使入射的光产生色散；

所述透镜用于将色散后的光聚焦，并将聚焦后的光呈一定角度照射到所述待测物体表面。

6.根据权利要求5所述的表面形貌测量装置，其特征在于，所述色散元件为等边棱镜。

7.根据权利要求1中所述的表面形貌测量装置，其特征在于，所述接收单元包括透镜和棱镜；

所述透镜具有较大的数值孔径，对所述待测物体表面反射的光进行会聚；

所述棱镜对所述透镜会聚的光进行光路偏转。

8.根据权利要求1所述的表面形貌测量装置，其特征在于，所述信息处理单元包含将光信号转换为电信号的传感器，以及负责数据处理和自动化控制的处理器。

9.根据权利要求8所述的表面形貌测量装置，其特征在于，所述传感器为狭缝光谱仪。

10.根据权利要求1所述的表面形貌测量装置，其特征在于，所述位移单元为高精度的位移控制平台，至少提供二维或二维以上的精密移动。