[发明专利]一种非均质跃变表面形貌自动测量装置及方法

说明书

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。

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。