【CN109781015A】一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面台阶的方法【专利】

( 54 )发明 名称 一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面台
阶的方法 ( 57 )摘要
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。
则色散聚焦范围为
其中λmin，λmax分别为复合光光源(1)的最小
和最大波长。 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
2
CN 109781015 A
权 利 要 求 书
2/2 页
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
ak为拟合多项式系数；
求解方程组：
解出ak，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
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910005141 .5
(22)申请日 2019 .01 .03
(71)申请人 西安交通大学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号
(72)发明人 刘涛 田博 刘康 杨树明 李国卿 刘强 何韬 王佳怡
(74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任 公司 61200
代理人 徐文权
(51)Int .Cl . G01B 11/03(2006 .01) G01B 11/06(2006 .01) G01N 21/84(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109Байду номын сангаас81015 A (43)申请公布日 2019.05.21
权利要求书2页 说明书6页 附图2页
CN 109781015 A
CN 109781015 A
权 利 要 求 书
1/2 页
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) ；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(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1)中，色散聚焦元件(4)为柱面透镜或一维衍射光学元件。 4 .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。 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，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zi表示如下： zi＝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。 6 .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(λi ,zi) ，λi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