[发明专利]一种非均质跃变表面形貌自动测量装置及方法

权利要求书

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。