CN113847888B - 一种非均质跃变表面形貌自动测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非均质跃变表面形貌自动测量装置及方法，涉及形貌测量技术领域，测量装置通过建立光谱轴向色差系统，使得满足共焦条件的单色光的波长与轴向距离形成映射，对光谱仪测得的单色光波长进行分析即可实现表面距离测量，待测样品固定在与轴向垂直的二维运动导轨平台上，通过控制二维运动导轨运动扫描测量待测样品表面，进而实现表面形貌测量；测量方法通过对导轨扫描轨迹规划，在距离数据采集前先对光强信息进行采集，并据此对光谱仪的参数进行动态调整；本发明有效解决了非均质跃变表面在形貌测量过程中，因材质吸光特性差异导致光强差异较大，进而导致距离数据缺失或异常的技术问题，实现非均质跃变表面形貌自动测量。

Description

一种非均质跃变表面形貌自动测量装置及方法

技术领域

本发明涉及形貌测量技术领域，更具体的是涉及非均质跃变表面形貌自动测量方法及方法技术领域。

背景技术

高精度微观形貌测量依赖于高精度位移的测量。目前，众多的位移测量方法中，光电式位移测量技术优势明显，主要方法有白光干涉、激光共焦、原子力显微镜和光谱轴向色差等。其中，白光干涉位移测量方法的测量精度可达亚纳米量级，但环境适应性较差，不适于跃变结构检测；激光共焦位移测量方法测量精度可达纳米量级，但测量头体积大，工作距离短，难以用于内壁区域形貌检测；原子力显微镜位移测量方法测量精度可达亚纳米量级，但工作距离太短，难以实现工程应用；光谱轴向色差位移测量方法的测量精度较高，最高可达50nm，并且具有测量头体积小、速度快及对被测物颜色不敏感的优点，特别适用于微观形貌的测量。近年来，国内该领域的研究学者主要致力于色散选频光学系统的设计与优化，以满足更高要求的形貌测量。

随着社会的发展，形貌测量应用需求不断提高，被测表面不再局限于由单一材质组成的样品，逐渐出现了由多种材质组成的复杂样品，例如表面光泽的金属与表面较粗糙的塑料组合的被测样品、同时含有光泽的金属表面与无光泽的被腐蚀表面的样品等，此类被测样品的主要特点是其表面形貌测量数据容易缺失，并且缺失的数据往往是尤其重要的关键形貌信息。从本质上分析，产生数据缺失的主要原因在于，非均质跃变区域的吸光差异较大，影响反射光的光强过低或过高，现有的测量系统无光强反馈机制，导致光谱仪无法探测到完整的光谱信号而产生数据缺失。

针对这一问题，目前的处理方法仅仅是在测量结束后对缺失数据进行人为补充，通常的做法是选取附近的数据或其中值、均值代替缺失数据，得到包含异常数据的形貌信息，这种后续加工处理的方法没有从本质上解决数据缺失问题，难以实现形貌信息的准确测量。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决非均质跃变表面在形貌测量过程中，因材质吸光特性差异导致光强差异较大，进而导致距离数据缺失或异常的技术问题，本发明提供一种非均质跃变表面形貌自动测量方法及方法。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种非均质跃变表面形貌自动测量方法，包括光谱仪、光源、光纤耦合器、色散系统、待测样品、运动导轨、导轨控制器、计算机和微控制器；光谱仪、光源均通过光纤耦合器与色散系统配合；

所述运动导轨为二维运动导轨，所述待测样品固定在二维运动导轨上，所述导轨控制器控制二维运动导轨驱动待测样品在平面内运动；所述色散系统的光轴方向与二维运动导轨的二维平面垂直，二维运动导轨驱动待测样品在二维平面内运动实现扫描测量；

所述导轨控制器、计算机、微控制器三者之间建立电性连接，导轨控制器与运动导轨电性连接，计算机通过导轨控制器控制运动导轨的扫描轨迹；微控制器与光谱仪电性连接，控制光谱仪的光强数据和采集色散系统到待测样品表面的距离数据；

光源发出的复色光通过光纤耦合器到达色散系统，经色散系统形成沿光轴方向均匀分布的不同波长的单色光；聚焦在待测样品表面的单色光，波长与色散系统到待测样品表面的距离一一对应的单色光经色散后光纤耦合器返回至光谱仪，而其它波长的单色光则在因能量衰减而不能被光谱仪检测到，通过返回光谱仪的波长即可计算得到距离数据，根据运动导轨扫描轨迹对距离数据三维重构实现待测样品的形貌测量。

进一步地，运动导轨固定在龙门结构的水平平台上，将一维导轨竖直固定在龙门的臂梁上，将色散系统固定在一维导轨上，龙门结构放置在隔震平台上，以减少外界震动对测量结果的影响。

进一步地，光纤耦合器为的Y型耦合器，Y型耦合器的光纤具有单束单向导通特性，光源至色散系统方向为单向导通，反向抑制，色散系统至光谱仪(1)方向为单向导通，反向抑制。

进一步地，波长与色散系统到待测样品表面的距离对应的单色光经色散后由Y型耦合器的光纤末端小孔返回至光谱仪。

进一步地，所述色散系统由分光棱镜和色散物镜组成，将复色光色散成连续分布的不同波长的单色光且沿光轴方向均匀排布；所述光谱仪为灵敏度可调的高灵敏度光纤光谱仪；所述光源为带尾纤输出的高功率、宽光谱复色光源。

一种非均质跃变表面形貌自动测量方法，包括如下步骤：

步骤1、组装完成自动测量装置，调整色散系统位置，使待测样品位于色散系统的量程范围内，在二维运动导轨运动过程中光谱仪扫描待测样品表面的反射光强，得到待测样品表面反射的光强信息，扫描过程中导轨控制器与微控制器构建单向触发连接，实现二维运动导轨在运动过程中的位置信息同步；

步骤2、微控制器对扫描得到的光强信息进行分析，并根据光强信息规划二维运动导轨的扫描轨迹，同时规划光谱仪的光强灵敏度参数自适应动态调整方法，防止出现光强过强时的光谱曲线“削顶”现象及光强过弱时的光谱曲线“无峰”现象；

步骤3、根据规划扫描轨迹通过导轨控制器控制二维运动导轨带动待测样品移动，微控制器接收导轨控制器输出的位置触发信号，完成扫描轨迹、光谱数据采集，并对光谱数据进行处理计算得到色散系统到待测样品表面的单点距离数据，并将单点距离数据实时发送至计算机；

步骤4、计算机根据二维运动导轨的扫描轨迹及单点距离数据对待测样品表面进行三维重构，实现非均质跃变表面形貌自动测量。

步骤1中，由于待测样品固定在二维运动导轨上，色散系统固定在竖直设置的一维导轨上，移动一维导轨使待测样品位于色散系统的量程范围内，计算机控制二维运动导轨移动，使得聚焦光斑落在待测样品的被测区域内，二维运动导轨运动开始测量待测样品表面的反射光强。

进一步地，步骤2中，规划光谱仪的光强灵敏度参数自适应动态调整方法如下：首先，将待测样品的待测表面区域分割成垂直投影面等间隔的二维网格区域，从网格边缘顶点开始，光谱仪依次扫描一维直线得到反射光的光强信息，调整光谱仪的光强灵敏度使得该直线上所有单点的反射光强在光谱仪的1/3～1响应量程范围内，记录光强信息及灵敏度信息，形成以光强信息为输入以灵敏度信息为输出的数据库，进而实现光谱仪测量时的光强自适应动态调节，通过对数据进行深度挖掘，建立任意非均质跃变表面形貌测量时的光谱仪灵敏度自动调节方法。

进一步地，步骤2中，根据光强信息规划二维运动导轨的运动轨迹的具体方式如下：将待测样品表面光强相近点划分为同一区域，按光强将整个待测样品表面垂直投影的二维测量区域分割成多个区域，按区域规划二维运动导轨的扫描轨迹以减少光谱仪的参数调节频率，提高待测样品表面形貌测量效率。

进一步地，步骤4中，三维形貌数据处理算法包括随机噪声抑制和尖峰噪声抑制，随机噪声抑制与尖峰噪声抑制均采用中值滤波方法。

原始形貌信号的公式为：

其中，i和j代表形貌信号的位置坐标,x_ij代表该位置的位移数据，m、n分别代表构成形貌矩阵数据的行数、列数，其中， m≥1，n≥5；

对原始信号进行周期延拓得到信号XE，xe_ij是矩阵的基本表达，代表该位置元素，延拓具体公式如下：

对信号XE进行随机噪声和尖峰噪声抑制得到信号XP，公式如下：

XP＝{xp_ij}＝Med(XE(i，j)，XE(i，j+1)，...，XE(i，j+9))

其中，Med为取中值函数,xp_ij是矩阵的基本表达，代表该位置的元素,1≤i≤m，1≤j≤n。

本发明的有益效果如下：

1.普适性——针对于特殊的非均质表面形貌测量需求设计的自适应测量系统具有更大的光强测量范围，可以适用于任意普通被测表面的形貌测量。

2.高可靠性——克服了传统的依赖数据处理对缺失与异常数据进行填补、修改的不足，通过调整系统硬件获取真实测量值，提高测量结果可靠性。

3.高效率性——轴向色差对应距离数据，无需轴向扫描，大幅提高测量效率。

4.便携性——检测装置中的所用的元件体积小，系统结构紧凑，装置整体体积和重量均满足便携性要求。

本发明的非均质跃变表面形貌自动测量方法从本质上解决了数据缺失问题，获取真实可靠的形貌测量结果，填补该应用领域现有技术的空白，实现非均质跃变表面微观形貌的高分辨完整复原。同时，该系统所具有的高效率性与便携性有助于其更广泛的应用于各个领域。

附图说明

图1为本发明的一种非均质跃变表面形貌自动测量方法的原理示意图；

图2为本发明的一种非均质跃变表面形貌自动测量方法的步骤流程图；

附图标记：1-光谱仪，2-光源，3-光纤耦合器，4-色散系统，5- 待测样品，6-运动导轨，7-运动控制器，8-计算机，9-微控制器。

具体实施方式

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以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作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。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种非均质跃变表面形貌自动测量方法，包括光谱仪1、光源2、光纤耦合器3、色散系统4、待测样品5、运动导轨6、导轨控制器7、计算机8和微控制器9；光谱仪1、光源 2均通过光纤耦合器3与色散系统4配合；

所述运动导轨6为二维运动导轨，所述待测样品5固定在二维运动导轨上，所述导轨控制器7控制二维运动导轨驱动待测样品5在平面内运动；所述色散系统4的光轴方向与二维运动导轨的二维平面垂直，二维运动导轨驱动待测样品5在二维平面内运动实现扫描测量；

所述导轨控制器7、计算机8、微控制器9三者之间建立电性连接，导轨控制器7与运动导轨6电性连接，计算机8通过导轨控制器 7控制运动导轨6的扫描轨迹；微控制器9与光谱仪1电性连接，控制光谱仪1的光强数据和采集色散系统4到待测样品5表面的距离数据；

光源2发出的复色光通过光纤耦合器3到达色散系统4，经色散系统4形成沿光轴方向均匀分布的不同波长的单色光；聚焦在待测样品5表面的单色光，波长与色散系统4到待测样品5表面的距离一一对应的单色光经色散后光纤耦合器3返回至光谱仪1，而其它波长的单色光则在因能量衰减而不能被光谱仪检测到，通过返回光谱仪1的波长即可计算得到距离数据，根据运动导轨6扫描轨迹对距离数据三维重构实现待测样品5的形貌测量。

其中，运动导轨6固定在龙门结构的水平平台上，将一维导轨竖直固定在龙门的臂梁上，将色散系统4固定在一维导轨上，龙门结构放置在隔震平台上，以减少外界震动对测量结果的影响。

其中，光纤耦合器3为的Y型耦合器，Y型耦合器的光纤具有单束单向导通特性，光源2至色散系统4方向为单向导通，反向抑制，色散系统4至光谱仪1方向为单向导通，反向抑制。

其中，波长与色散系统4到待测样品5表面的距离对应的单色光经色散后由Y型耦合器的光纤末端小孔返回至光谱仪1。

其中，所述色散系统4由分光棱镜和色散物镜组成，将复色光色散成连续分布的不同波长的单色光且沿光轴方向均匀排布；所述光谱仪1为灵敏度可调的高灵敏度光纤光谱仪；所述光源2为带尾纤输出的高功率、宽光谱复色光源。

实施例2

如图2所示，一种非均质跃变表面形貌自动测量方法，包括如下步骤：

步骤1、组装完成自动测量装置，调整色散系统4位置，使待测样品5位于色散系统4的量程范围内，在二维运动导轨运动过程中光谱仪1扫描待测样品5表面的反射光强，得到待测样品5表面反射的光强信息，扫描过程中导轨控制器7与微控制器9构建单向触发连接，实现二维运动导轨在运动过程中的位置信息同步；

步骤2、微控制器9对扫描得到的光强信息进行分析，并根据光强信息规划二维运动导轨的扫描轨迹，同时规划光谱仪1的光强灵敏度参数自适应动态调整方法，防止出现光强过强时的光谱曲线“削顶”现象及光强过弱时的光谱曲线“无峰”现象；

步骤3、根据规划扫描轨迹通过导轨控制器7控制二维运动导轨带动待测样品5移动，微控制器9接收导轨控制器7输出的位置触发信号，完成扫描轨迹、光谱数据采集，并对光谱数据进行处理计算得到色散系统4到待测样品5表面的单点距离数据，并将单点距离数据实时发送至计算机8；

步骤4、计算机8根据二维运动导轨的扫描轨迹及单点距离数据进行待测样品5三维重构，实现非均质跃变表面形貌自动测量。

步骤1中，由于待测样品5固定在二维运动导轨上，色散系统4 固定在竖直设置的一维导轨上，移动一维导轨使待测样品5位于色散系统4的量程范围内，计算机8控制二维运动导轨移动，使得聚焦光斑落在待测样品5的被测区域内，二维运动导轨运动开始测量待测样品表面的反射光强。

步骤2中，规划光谱仪1的光强灵敏度参数自适应动态调整方法如下：首先，将待测样品5的待测表面区域分割成垂直投影面等间隔的二维网格区域，从网格边缘顶点开始，光谱仪1依次扫描一维直线得到反射光的光强信息，调整光谱仪1的光强灵敏度使得该直线上所有单点的反射光强在光谱仪的1/3～1响应量程范围内，记录光强信息及灵敏度信息，形成以光强信息为输入以灵敏度信息为输出的数据库，进而实现光谱仪1测量时的光强自适应动态调节，通过对数据进行深度挖掘，建立任意非均质跃变表面形貌测量时的光谱仪灵敏度自动调节方法。

步骤2中，根据光强信息规划二维运动导轨的运动轨迹的具体方式如下：将待测样品5表面光强相近点划分为同一区域，按光强将整个待测样品5表面垂直投影的二维测量区域分割成多个区域，按区域规划二维运动导轨的扫描轨迹以减少光谱仪1的参数调节频率，提高待测样品5表面形貌测量效率。

步骤4中，三维形貌数据处理算法包括随机噪声抑制和尖峰噪声抑制，随机噪声抑制与尖峰噪声抑制均采用中值滤波方法；

原始形貌信号的公式为：

其中，i和j代表形貌信号的位置坐标,x_ij代表该位置的位移数据，m、n分别代表构成形貌矩阵数据的行数、列数，其中， m≥1，n≥5；

对原始信号进行周期延拓得到信号XE，xe_ij是矩阵的基本表达，代表该位置元素，延拓具体公式如下：

对信号XE进行随机噪声和尖峰噪声抑制得到信号XP，公式如下：

XP＝{xp_ij}＝Med(XE(i，j)，XE(i，j+1)，...，XE(i，j+9))

其中，Med为取中值函数,xp_ij是矩阵的基本表达，代表该位置的元素,1≤i≤m，1≤j≤n。

Claims (9)

1.一种非均质跃变表面形貌自动测量方法，基于自动测量装置，

其特征在于，

该装置包括光谱仪(1)、光源(2)、光纤耦合器(3)、色散系统(4)、待测样品(5)、运动导轨(6)、导轨控制器(7)、计算机(8)和微控制器(9)；光谱仪(1)、光源(2)均通过光纤耦合器(3)与色散系统(4)配合；

所述运动导轨(6)为二维运动导轨，所述待测样品(5)固定在二维运动导轨上，所述导轨控制器(7)控制二维运动导轨驱动待测样品(5)在平面内运动；所述色散系统(4)的光轴方向与二维运动导轨的二维平面垂直，二维运动导轨驱动待测样品(5)在二维平面内运动实现扫描测量；

所述导轨控制器(7)、计算机(8)、微控制器(9)三者之间建立电性连接，导轨控制器(7)与运动导轨(6)电性连接，计算机(8)通过导轨控制器(7)控制运动导轨(6)的扫描轨迹；微控制器(9)与光谱仪(1)电性连接，控制光谱仪(1)的光强数据和采集色散系统(4)到待测样品(5)表面的距离数据；

光源(2)发出的复色光通过光纤耦合器(3)到达色散系统(4)，经色散系统(4)形成沿光轴方向均匀分布的不同波长的单色光；聚焦在待测样品(5)表面的单色光，波长与色散系统(4)到待测样品(5)表面的距离一一对应的单色光经色散后光纤耦合器(3)返回至光谱仪(1)，而其它波长的单色光则在因能量衰减而不能被光谱仪检测到，通过返回光谱仪(1)的波长即可计算得到距离数据，根据运动导轨(6)扫描轨迹对距离数据三维重构实现待测样品(5)的形貌测量；

该方法包括如下步骤：

步骤1、组装完成自动测量装置，调整色散系统(4)位置，使待测样品(5)位于色散系统(4)的量程范围内，在二维运动导轨运动过程中光谱仪(1)扫描待测样品(5)表面的反射光强，得到待测样品(5)表面反射的光强信息，扫描过程中导轨控制器(7)与微控制器(9)构建单向触发连接，实现二维运动导轨在运动过程中的位置信息与微控制器测得的光强信息一一映射；

步骤2、微控制器(9)对扫描得到的光强信息进行分析，并根据光强信息规划二维运动导轨的扫描轨迹，同时规划光谱仪(1)的光强灵敏度参数自适应动态调整方法，防止出现光强过强时的光谱曲线“削顶”现象及光强过弱时的光谱曲线“无峰”现象；

步骤3、根据规划扫描轨迹通过导轨控制器(7)控制二维运动导轨带动待测样品(5)移动，微控制器(9)接收导轨控制器(7)输出的位置触发信号，完成扫描轨迹、光谱数据采集，并对光谱数据进行处理计算得到色散系统(4)到待测样品(5)表面的单点距离数据，并将单点距离数据实时发送至计算机(8),其中,光信号的波长与单点距离数据的映射关系通过双频激光干涉仪标定确定；

步骤4、计算机(8)根据二维运动导轨的扫描轨迹及单点距离数据进行待测样品(5)三维重构，实现非均质跃变表面形貌自动测量。

2.根据权利要求1所述的一种非均质跃变表面形貌自动测量方法，其特征在于，步骤1中，由于待测样品(5)固定在二维运动导轨上，色散系统(4)固定在竖直设置的一维导轨上，移动一维导轨使待测样品(5)位于色散系统(4)的量程范围内，计算机(8)控制二维运动导轨移动，使得聚焦光斑落在待测样品(5)的被测区域内，二维运动导轨运动开始测量待测样品表面的反射光强。

3.根据权利要求1所述的一种非均质跃变表面形貌自动测量方法，其特征在于，步骤2中，规划光谱仪(1)的光强灵敏度参数自适应动态调整方法如下：首先，将待测样品(5)的待测表面区域分割成垂直投影面等间隔的二维网格区域，从网格边缘顶点开始，光谱仪(1)依次扫描一维直线得到反射光的光强信息，调整光谱仪(1)的光强灵敏度使得该直线上所有单点的反射光强在光谱仪的1/3～1响应量程范围内，记录光强信息及灵敏度信息，形成以光强信息为输入以灵敏度信息为输出的数据库，进而实现光谱仪(1)测量时的光强自适应动态调节。

4.根据权利要求1所述的一种非均质跃变表面形貌自动测量方法，其特征在于，步骤2中，根据光强信息规划二维运动导轨的运动轨迹的具体方式如下：将待测样品(5)表面光强相近点划分为同一区域，按光强将整个待测样品(5)表面垂直投影的二维测量区域分割成多个区域，按区域规划二维运动导轨的扫描轨迹以减少光谱仪(1)的参数调节频率，提高待测样品(5)表面形貌测量效率。

5.根据权利要求1所述的一种非均质跃变表面形貌自动测量方法，其特征在于，步骤4中，三维形貌数据处理算法包括随机噪声抑制和尖峰噪声抑制，随机噪声抑制与尖峰噪声抑制均采用中值滤波方法；

原始形貌信号的公式为：

其中，i和j代表形貌信号的位置坐标，x_ij代表该位置的位移数据，m、n分别代表构成形貌矩阵数据的行数、列数，其中，m≥1，n≥5；

对原始信号进行周期延拓得到信号XE，xe_ij是矩阵的基本表达，代表该位置元素，延拓具体公式如下：

对信号XE进行随机噪声和尖峰噪声抑制得到信号XP，公式如下：

XP＝{xp_ij}＝Med(XE(i，j)，XE(i，j+1)，...，XE(i，j+9))

其中，Med为取中值函数，xp_ij是矩阵的基本表达，代表该位置的元素，1≤i≤m，1≤j≤n。

6.根据权利要求1所述的一种非均质跃变表面形貌自动测量方法，其特征在于，所述运动导轨(6)固定在龙门结构的水平平台上，将一维导轨竖直固定在龙门的臂梁上，将色散系统(4)固定在一维导轨上，龙门结构放置在隔震平台上。

7.根据权利要求1所述的一种非均质跃变表面形貌自动测量方法，其特征在于，所述光纤耦合器(3)为的Y型耦合器，光源(2)至色散系统(4)方向为单向导通，反向抑制，色散系统(4)至光谱仪(1)方向为单向导通，反向抑制。

8.根据权利要求1所述的一种非均质跃变表面形貌自动测量方法，其特征在于，所述波长与色散系统(4)到待测样品(5)表面的距离对应的单色光经色散后由Y型耦合器的光纤末端小孔返回至光谱仪(1)。

9.根据权利要求1所述的一种非均质跃变表面形貌自动测量方法，其特征在于，所述色散系统(4)由分光棱镜和色散物镜组成，将复色光色散成连续分布的不同波长的单色光且沿光轴方向均匀排布；所述光谱仪(1)为灵敏度可调的光纤光谱仪；所述光源(2)为带尾纤输出宽光谱复色光源。

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