CN111307076A - 一种多芯光纤微纳图形辨识装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种多芯光纤微纳图形辨识装置，属于光学传感领域，具体涉及的是微纳图形表面检测与辨识领域。一种多芯光纤微纳图形辨识装置是由激光器1、普通单模光纤2、1*N耦合器3、光纤环形器4‑1至4‑N、扇入扇出器件5、多芯光纤6、聚焦物镜7、电荷耦合器件(CCD)8、计算机9、光功率计10‑1至10‑N组成。本发明可用于复杂微纳图形的表征以及辨识。一方面实现了入射光路以及收集光路的集成，简化了光路；另一方面所采用的多芯光纤末端进行了处理，具有一定锥角，使得入射光在经过光纤输出后形成微小的聚焦光斑，提高了装置的空间分辨率。

Description

一种多芯光纤微纳图形辨识装置

(一)技术领域

本发明提供的是一种多芯光纤微纳图形辨识装置，属于光学传感领域，具体涉及的是微纳图形表征与辨识领域。

(二)背景技术

近年来微纳器件在微电子、生物技术、航空航天、超材料等技术领域的应用发展迅速，对社会发展、经济水平都有很大的影响。精密的微纳器件将是下一时期内科技发展的热点。微纳器件的三维形貌与产品的性能特征、可靠程度以及功能分析直接相关。随着纳米科技与超精密加工技术的快速发展，相关器件和结构的尺寸越来越小，测量精度的要求也越来越高，从而对微纳米测量与表征技术提出了更高的要求。高精度快速小型化的微纳检测方法与技术成为研究的热点和难点。微纳米测量的对象包括微纳米结构的长度、宽度、高度及表面粗糙度等几何参数，加速度、运动的周期和幅值等动态参数以及结构的材料特性、力学特性、化学特性等，其中几何参数的测量尤为重要。和广义的测量技术不同的是微纳米测量技术具有下述的特点：(1)被测对象的尺寸处于微米、纳米量级；(2)以非接触测量方法为主；(3)测量结果受定位误差的影响较大；(4)测量结果容易受灰尘影响等特点。基于上述特点，微纳米测量领域已经开发了一系列的测量技术与仪器。由于微纳米技术各相关领域均涉及对微纳米尺寸器件形貌、几何尺寸等方面的表征。当前，台阶高度、宽度(线宽、栅格间距)等的高精度测量成为超精密加工领域急需解决的问题，也成为微纳米测量技术的研究重点。表面图案化往往赋予材料独特的力学、物理及化学性能，因此成为了微纳材料/器件制备的一种重要手段。对于平面型硬膜/软基体系，通过对称失稳而自发形成的表面褶皱已成为了高效、便捷的表面图案化方法之一，可实现对其功能性的宽域调控，并逐步得到了广泛的应用。曲面图案表面在生物医学和机器人工程等诸多领域得到了越来越多的应用，例如生物医学上的药物吸附和细胞吸附，以及机器人工程上的末端执行器等西安交大金属材料强度国家重点实验室孙军教授团队博士研究生原浩植、青年教师吴凯博士和刘刚教授等人采用溅射方法在聚二甲基硅氧烷(PDMS)微球上制备了金属薄膜褶皱表面，建立了系统的金属褶皱图案相图(包括凹坑型、迷宫型和人字型三种形貌)，发现了褶皱尺寸与微球曲率之间的幂律关系，从而实现了基于微球曲率半径和薄膜厚度耦合调控的金属表面褶皱形貌与尺寸的精确控制。研究结果进一步发现，曲面型膜(壳)/基(核)体系的表面微纳摩擦性能强烈地依赖于褶皱的尺寸、形貌和取向。其中迷宫型褶皱表面的摩擦性能具有各向同性，而人字型褶皱表面的摩擦则表现出明显的各向异性，并对褶皱取向敏感。该研究工作实现了曲面体系上表面褶皱的可控制备，揭示了褶皱特性/参量对表面微纳摩擦性能的影响，为曲面体系褶皱表面的摩擦学设计提供了重要的理论指导。目前对微纳图形的表征和辨识技术可分为接触式和非接触式两大类，基于光学原理的检测技术，具有量程大、非接触、全视场、高精度、灵敏度高、适用性广泛等优点，在微纳图形的形貌检测中得到了广泛的应用。

2012年6月，李源等人在《纳米尺度标准样片光学表征方法的研究》一文中基于纳米测量机(NMM)的激光聚焦传感器(LFS)和扫描白光干涉传感器(SWLIS)分别对平面尺度的标准样片和台阶标准样片进行了测量、分析与比较。利于纳米测量机LFS实现了对一维栅格样片的精确表征，扩展不确定度为4.2nm；利用SWLIS测量方法对标定值为49.217μm的SHS8—50.0高台阶标准样板进行测量，测量不确定度为0.0657μm，实现了采用光学检测技术跨尺度对纳米尺度精密器件和结构进行表征。并且利用MATLAB对结构进行了三维重构，实现了一维栅格的光学表征与辨识。但是此文没有设计到二维的微纳图形的表征和辨识，并且所采用的表征方法没有考虑到粗糙度的因素，因此对于表面粗糙度不一致的被测标准样片无法精确表征。

2016年4月，中国计量学院的简黎在《微纳特征结构及表面形貌特征方法的研究》一文中设计开发了白光干涉测头，基于NMM、原子力显微镜及白光干涉测头，搭建了微纳米坐标测量系统。在表征微纳图形纵向(台阶高度)以及横向(一维线间隔)特征结构的基础了研究了表面粗糙度的评价方法。提出了二维、三维表面粗糙度的快速高斯滤波卷积算法，开发了表面粗糙度数据处理软件，实现了微纳图形的轮廓数据读取、二维、三维表面粗糙度参数评定、图形生成等功能。但是在扫面待测平面的过程中，要尽量保证扫描方向与一维线间隔标准样板栅脊垂直的方向进行正交扫描。

申请号为201811155972.2的专利提出了一种基于结构光的微纳图形三维形貌高速检测方法。采用结构光投影装置投射处的正弦光栅条纹与光轴成一定角度θ，然后投影到待测物体表面上，通过CCD相机采集图像，对采集的图像通过傅里叶变换滤波算法计算得到正弦光栅在物体表面的调制度分布，进而可以得到每一个像素点在不同水平扫描位置的调制度曲线，最后提取出调制度最大值所在位置即可实现形貌恢复。该发明不仅可以实现对非周期的微纳图形的连续性测量，同时还保留了垂直测量的优点，具有很高的检测精度和效率。

虽然以上文章和专利探讨了对微纳图形的表征、形貌测量，但是都是在空间光路的基础上进行的。所使用的空间光路结构复杂、不易调节，无法满足集成化小型化的需求。

2018年6月，中北大学的胡晨昊在《光纤传感器形貌测量中三维表面还原的关键技术》一文中利用反射式强度调制光纤传感器对一维、三维表面微纳图形进行了测量，通过将循环神经网络引入测量领域，提高了测量系统对连续采样带来的重叠信息的融合利用能力；提出了一种多通道分象限光纤探头，进一步丰富可获取的表面信息，提升了探头的横向分辨力。最终利用得到的标定参数与扫描出的表面数据，还原出物体的三维形貌。实验表明，采用优化的神经网络算法可以有效的减弱光源波动对传感器测量的影响，传感器标定曲线的重复性提升了50％；所搭建的测量系统可以有效辨别并还原出带有台阶和环形纹理的三维表面，其中三维图中辨识出的台阶高度比未采用处理算法的减少了20μm的测量误差。但是所测量的实验样本均在十微米级别，没有实现纳米级别的微纳图形的表征和辨识。所表征以及辨识的微纳图形局限在台阶和环形纹理，没有实现对复杂的微纳图形的表征和辨识。

基于以上背景，本发明提出了一种多芯光纤微纳图形辨识装置。可用于对微纳图形的表征和辨识。该装置解决了利用空间光路表征、辨识微纳图形具有的复杂性、难以调节、难以集成等问题，同时提高了基于反射式光强调制的光纤传感器表征、辨识微纳图形的精度。此外，实现了以上背景之中没有实现的对复杂微纳图形的表征和辨识，可以用于对微纳图形的在线检测。该传感器采用一根多芯光纤传输入射光以及收集含有粗糙度和纹理方向信息的信号光，实现了入射光路以及收集光路的集成，简化了光路。此外，所采用的多芯光纤末端进行了处理，具有一定锥角，使得入射光在经过光纤输出后形成微小的聚焦光斑，提高了装置的空间分辨率。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供可以用于微纳图形表面检测与表征领域的一种多芯光纤微纳图形辨识装置。

本发明的目的是这样实现的：

一种多芯光纤微纳图形辨识装置是由激光器1、普通单模光纤2、1*N耦合器3、光纤环形器4-1至4-N、扇入扇出器件5、多芯光纤6、聚焦物镜7、电荷耦合器件(CCD)8、计算机9、光功率计10-1至10-N组成。所述装置中激光器1发出特定波长的激光通过普通单模光纤2后经由1*N耦合器3分为N路光。N路光分别通过环形器4-1至4-N经过扇入扇出器件5后再分别进入多芯光纤6的各个纤芯中，经多芯光纤6传输后照射在待测平面上。所述多芯光纤6具有一定锥角，锥角结构如图4所示，使得激光经多芯光纤6传输后在光纤末端附近形成微小的聚焦光斑，通过聚焦物镜7、电荷耦合器件(CCD)8在计算机9上得到多芯光纤聚焦光斑与待测平面的位置关系图像，可以调整多芯光纤末端到待测平面的距离使得聚焦光斑中心恰好在待测平面上。此时聚焦光在待测平面发生散射，包括漫散射光和镜面反射光，其中镜面反射光的方向满足菲涅尔定律，越光滑的平面散射光中镜面反射光的占比越大。通过多芯光纤6将入射光聚焦照射在待测平面之后，产生的镜面反射光将经过多芯光纤6经由扇入扇出器件5和环形器4-1至4-N被光功率计10-1至10-N所探测到。待测平面的表面微纳图形会影响平面散射光的大小以及空间分布。

对于一维的微纳图形，其在待测平面的表现相当于与待测平面高度不同的台阶或凹槽，这些台阶或者凹槽的分布造成了待测平面纵向高度的不均匀性，如图2所示。这种不均匀性改变了待测平面的粗糙度。根据Beckmann散射理论，表面粗糙度会影响平面散射光中镜面反射光分量的大小，对于越光滑的平面，其受到照射后所产生的平面散射光中镜面反射光的分量越大。表面粗糙度均方值和所接收到的镜面反射光强度满足下式

式中λ为所选用的激光波长，θ₁为入射光与待测平面法线的夹角，θ₂为镜面反射光与待测平面法线的夹角，I₀为激光器发射光强，I_S为光功率计接收到的镜面散射光光强。所以对于一维微纳图形，表面台阶的高度或者凹槽的深度可以通过探测平面散射光中镜面反射光的强度来表征。在本发明公开的一种多芯光纤微纳图形辨识装置中，所采用的多芯光纤经过加工处理，使得光纤末端具有对称的锥台结构。这种锥台结构一方面使得入射光在经过光纤输出后形成微小的聚焦光斑，提高测量的空间分辨率；另一方面使得平面散射光中的镜面反射光可以被同一径向方向的另一根对称的纤芯所收集到，同时保证大部分的漫反射光无法耦合进入纤芯从而被光功率计探测到，提高了测量的精度。

对于二维的微纳图形，其在待测平面的表现相当于排列方向相同或者不同的台阶或者凹槽的组合，同时具有方向和高度两个变量如图3所示，待测平面上台阶或者凹槽的方向的周期性可以用纹理来刻画。如图4所示的锥台结构使得多芯光纤中不同径向方向的纤芯对的出射聚焦光斑的短轴与纹理方向之间的夹角不同，夹角越大则微纳图形的纹理在聚焦光斑的受照面积越大，如图5所示。由于微纳图形的纹理代表了纵向高度相同的台阶或者凹槽，台阶和凹槽相对于待测平面具有不同的高度信息，不均匀的高度信息造成了待测平面表面粗糙度的变化，因此纹理也包括了粗糙度信息。对于粗糙度相同的纹理，不同的纹理方向与同一纤芯对所在径向方向的夹角不同，也与该纤芯对出射光的聚焦光斑短半轴的夹角不同。夹角越大纹理的受照面积越大，这表达探测区域内待测平面的表面粗糙度更大。因此对于粗糙度相同的纹理，不同的纹理方向使得同一纤芯对所接受到的镜面反射光强不同。对于确定的纹理方向，多芯光纤的各对纤芯所在的径向方向不同，使得不同径向方向的纤芯对于纹理方向的夹角不同，也就是不同纤芯对出射光的聚焦光斑的短轴与纹理方向的夹角不同，最终使得不同径向方向的纤芯对所收集到的待测区域平面散射光中镜面反射光的分量大小不同。所以微纳图形的纹理信息会导致多芯光纤各个纤芯的所接收的光强不再是各向同性，纤芯对所在径向方向与纹理方向越相近所收集到的镜面反射光强越少。因此可以通过测量镜面反射光的强度对微纳图形纹理方向进行表征。扫描待测平面得到整个平面的镜面反射光强信息，提取其中微纳图形的纹理信息可以对微纳图形的轮廓进行表征；提取其中的粗糙度信息可以对微纳图形的高度进行表征。结合微纳图形的轮廓以及高度信息就可以对微纳图形进行三维表征。镜面散射光强度I_S和纹理角度γ以及表面粗糙度均方值σ²满足如下关系：

其中表面粗糙度因子

g＝4π²(σ²/λ²)(cosθ₁+cosθ₂)² (3)

聚焦光斑短轴长度

光传播方向距离光纤末端中心z处的光斑半径

光斑半径和纹理方向的夹角(如图6所示)

粗糙度纹理的受照面积

A＝l·d (7)

其中

聚焦光斑面积

式中，I₀为单个纤芯的入射光强，σ²是待测平面表面粗糙度均方值，λ为所选用的激光波长，θ₁为入射光与待测平面法线的夹角，θ₂为镜面散射光与待测平面法线的夹角，γ是纹理方向和聚焦光斑短轴的夹角，α是光纤锥角，r_core是纤芯半径，ω₀等于所选激光波长在多芯光纤末端的模场半径，z是聚焦光斑中心到光纤末端中心的距离，l是粗糙度纹理的受照长度，d是粗糙度纹理的受照宽度。测量不同纤芯对中各个纤芯所接收到的镜面反射光强并取平均值就可得到粗糙度纹理与该纤芯对所在径向方向之间的夹角信息。测量不同纤芯对的镜面反射光强，依次相除即可得到纹理方向相对于两对纤芯的位置，根据所选取多芯光纤的纤芯分布情况可算出具体纹理方向，取平均值消除实验误差。再根据其中一个纤芯的镜面散射光强算出待测平面的表面粗糙度。数据处理的流程图如图7所示。当计算机处理得到平面的纹理信息以及纵向高度信息之后，运用MATLAB对待测平面的三维结构进行重建，可以得到待测平面微纳图形的形状结构。

本发明通过提取若干个微纳图形的基本信息建立微纳图形的数据。微纳图形信息包括表面的粗糙度以及表面纹理分布情况，每一个图案的信息以矩阵的形式保存。在使用多芯光纤对微纳图形进行辨识时，只需要将多芯光纤微纳图形辨识装置所得的结果转换成与数据库相同的矩阵并与数据库中的信息进行对比，即可得到待测图形与数据库中的微纳图形的相似程度，达到微纳图形辨识的目的。

本发明的有益效果在于：

本发明根据微纳图形表征与辨识的需求并结合已有的微纳图形辨识装置的优点，提出了一种多芯光纤微纳图形辨识装置，实现了对复杂微纳图形的表征和辨识，可以用于对微纳图形的在线检测。该传装置中采用了一根多芯光纤传输入射光以及收集含有粗糙度和纹理方向信息的信号光，实现了入射光路以及收集光路的集成，简化了光路。此外，所采用的多芯光纤末端进行了处理，具有一定锥角，使得入射光在经过光纤输出后形成微小的聚焦光斑，提高了装置的空间分辨率。

(四)附图说明

图1是可识别纹理方向的粗糙度测量装置的装置示意图。

图2是一维微纳图形示意图。

图3是二维微纳图形示意图。

图4是光纤锥台结构示意图，其中(a)是锥台立体图，(b)是锥台刨面图。

图5是多芯光纤不同纤芯对在待测平面上的光斑与纹理方向的位置关系图(以七芯光纤为例)。

图6是光斑半径和纹理方向夹角的示意图

图7是光纤探头工作原理图。

图8是数据处理流程图。

图9是基于七芯光纤的可识别纹理方向的粗糙度测量装置的装置示意图。

图10是基于七芯光纤的可识别纹理方向的粗糙度测量装置的一对纤芯镜面反射光信号接收示意图。

(五)具体实施方式

下面以基于七芯光纤的可识别纹理方向的粗糙度测量装置来进一步阐述本发明

实施例：基于七芯光纤的一种多芯光纤微纳图形辨识装置。

图8是基于七芯光纤的一种多芯光纤微纳图形辨识装置的装置示意图，所述基于七芯光纤的一种多芯光纤微纳图形辨识装置是由激光器1、普通单模光纤2、1×7耦合器3、光纤环形器4-1至4-7、扇入扇出器件5、多芯光纤6、聚焦物镜7、电荷耦合器件(CCD)8、计算机9、光功率计10-1至10-7组成。所述装置中激光器1发出1550nm波长的激光通过普通单模光纤2后经由1×7耦合器3分为7路光。7路光分别通过环形器4-1至4-7以及扇入扇出器件5后再分别进入多芯光纤6的各个纤芯中，经多芯光纤6传输后照射在待测平面上。所述多芯光纤6具有一定锥角，使得激光经多芯光纤6传输后在光纤末端附近形成微小的聚焦光斑，作为优选，锥角范围应该在15度到30度。通过聚焦物镜7、电荷耦合器件(CCD)8在计算机9上得到多芯光纤聚焦光斑与待测平面的位置关系图像，可以调整多芯光纤末端到待测平面的距离使得聚焦光斑中心恰好在待测平面上，此时聚焦光在待测平面上发生散射，平面散射光中的镜面反射光满足菲涅尔定律，因此任意一个纤芯发出的入射光的镜面反射光将被所对应纤芯对的另一个纤芯收集，如图9所示。待测平面的表面微纳图形会影响平面散射光的大小以及空间分布。通过记录七个光功率计的读数就可以得到三个不同方向聚焦光斑内的粗糙度信息以及相对纹理方向角，根据(2)～(9)式可以得到纹理方向相对于不同聚焦光斑方向的三个角度γ₁、γ₂、γ₃根据七芯光纤纤芯的分布得到纹理方向的具体方向，取平均值即为最终的纹理方向。再根据其中一个纤芯的镜面散射光强算出待测平面的表面粗糙度。根据Beckmann散射理论可知，对于随机表面其粗糙度会影响散射光光强的空间分布，具体关系如下：

其中：

称为几何因子，

v_x＝k(sinθ₁-sinθ₂cosθ₃)；v_y＝sinθ₂cosθ₃ (12)

代表波矢在x方向的分量，

v_z＝k(cosθ₁+cosθ₂) (13)

代表波矢在z方向的分量，其中k＝2π/λ，λ是入射波长，

代表x方向和y方向波矢分量的合成矢量，

代表待测平面上的入射点与空间中待测点在xoy平面上的距离。

J₀是0阶贝塞尔函数，<>表示平均值。对于表面粗糙度均方值小于0.1个波长的待测平面，镜面散射光强为：

＜EE^*＞_SPEC＝E₀ ²·e^-g (16)

其中：

g＝4π²(σ²/λ²)(cosθ₁+cosθ₂)² (17)

是控制镜面反射光光分量相对大小的因子。

在算出纹理方向角的情况下，将(16)、(17)式带入(2)式即可得到待测区域的粗糙度均方值，实现对待测平面表面粗糙度的测量。当计算机处理得到平面的纹理信息以及纵向高度信息之后，运用MATLAB对待测平面的三维结构进行重建，可以得到待测平面微纳图形的形状结构，通过图像的降噪以及滤波处理使得微纳图形更加清晰，最终实现了对微纳图形的辨识。

上述具体实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。本领域的技术人员在不超过本发明的精神和权力说明书的保护范围，还可以作出改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种多芯光纤微纳图形辨识装置是由激光器1、普通单模光纤2、1*N耦合器3、光纤环形器4-1至4-N、扇入扇出器件5、多芯光纤6、聚焦物镜7、电荷耦合器件(CCD)8、计算机9、光功率计10-1至10-N组成。所述装置中激光器1发出特定波长的激光通过普通单模光纤2后经由1*N耦合器3分为N路光。N路光分别通过环形器4-1至4-N经过扇入扇出器件5后再分别进入多芯光纤6的各个纤芯中，经多芯光纤6传输后照射在待测平面上。所述多芯光纤6具有一定锥角，使得激光经多芯光纤6传输后在光纤末端附近形成微小的聚焦光斑，通过聚焦物镜7、电荷耦合器件(CCD)8在计算机上得到多芯光纤聚焦光斑与待测平面的位置关系图像，可以调整多芯光纤末端到待测平面的距离使得聚焦光斑中心恰好在待测平面上。此时聚焦光在待测平面上发生散射，镜面反射光强由光功率计4-1至4-N探测到。根据纹理方向和镜面反射光强的关系式以及表面粗糙度与镜面反射光强的关系式得出待测平面的粗糙度纹理方向和表面粗糙度值。

2.根据权利要求1所述的一种多芯光纤微纳图形辨识装置，其特征是：所采用的多芯光纤的纤芯分布是具有对称性的正交环形阵列芯。

3.根据权利要求1所述的一种多芯光纤微纳图形辨识装置所采用的多芯光纤，其特征是：多芯光纤末端可以是锥台形也可以是其它对光线具有聚焦作用的端面结构。

4.根据权利要求1所述的一种多芯光纤微纳图形辨识装置，其特征是：通过测量平面散射光中镜面反射光的大小，提取纹理信息和粗糙度信息来重构待测平面的微纳图形结构。

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