【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】
线性优化的光谱共焦测量装置及方法[发明专利]
![线性优化的光谱共焦测量装置及方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/9e061cf8fc4ffe473268ab50.png)
专利名称：线性优化的光谱共焦测量装置及方法专利类型：发明专利
发明人：刘杰波
申请号：CN201710167511.6
申请日：20170320
公开号：CN106907998A
公开日：
20170630
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开一种线性优化的光谱共焦测量装置及方法，该装置包括：光源，用于产生出射光，传输到采样部；采样部，用于接收所述出射光后产生第一次色散，使产生所述第一次色散的光照射至被测物，且使由被测物返回的反射光通过后，传输给分光部，采样部的色散与波长为非线性关系；分光部，用于接收由采样部返回的反射光，且将不同波长的反射光产生第二次色散后传输到传感部，分光部的色散与波长为非线性关系，采样部非线性关系的差异与分光部非线性关系的差异部分或全部抵消；传感部，用于将所述反射光转换成电信号，以获取测量结果。
本发明能减少采样部的镜片数量，同时大幅度提高测量精度。
申请人：深圳立仪科技有限公司
地址：518116 广东省深圳市龙岗区龙城街道黄阁路441号龙岗天安数码创新园二号厂房B1201-2
国籍：CN
代理机构：深圳市世纪恒程知识产权代理事务所
代理人：胡海国
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【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】
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CN 109781015 A
权 利 要 求 书
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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
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说 明 书
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一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面台阶的方法
技术领域 [0001] 本发明属于精密测量技术领域，具体涉及一种光谱共焦线扫描快速测量物体表面 台阶的方法。
背景技术 [0002] 共焦显微技术(Confocal Microscopy)是实现光学层析显微技术的最典型方法， 最早的共焦显微成像装置于20世纪50年代中后期由美国哈佛大学初级研究员M .Minsky提 出于1961年，并获得美国发明专利权。光谱共焦技术在共焦显微镜基础上发展而来，结合了 共焦显微技术的共焦原理和色散聚焦原理的一种非接触式测量方法。与共焦显微技术相 比 ，光谱共焦技术不需要轴向扫描装置，提高了普通共焦显微镜的测量效率。目前，光谱共 焦技术在现代生物及医学、物理、化学、材料科学、纳米技术、精密测量等领域产生了广泛影 响。 [0003] 传统的光谱共焦测量方法的突出特点是采用复色光通过多个透镜色散聚焦到光 轴上产生 轴向连续的 焦点 ，这 种连续的 焦移作为样品表面高 度的 编码方式进行 测量。基于 此方式的 传统的 测量方式是单点 测量 ，测量时 只能提取样品表面上一点的高 度信息 ，该光 谱共焦系统 测量物体整体表面形貌时需要配备X-Y面或横向二维 扫描系统 ，因此限 制了测 量速度和工业现场实时测量方面的应用。因此针对台阶样品，为有效提高测量速度，满足工 业上产品快速、实时测量的迫切需求，有必要提出一种能达到上述目的的检测技术。
【CN109884061A】利用共聚焦激光扫描显微系统测量介质表面粗糙度的方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910235672.3(22)申请日 2019.03.27(66)本国优先权数据201811554249.1 2018.12.19 CN(71)申请人 长春理工大学地址 130000 吉林省长春市朝阳区卫星路7089号(72)发明人 孙德贵 尚鸿鹏 形文超 孙喆禹 (74)专利代理机构 长春众邦菁华知识产权代理有限公司 22214代理人 王丹阳(51)Int.Cl.G01N 21/84(2006.01)G01B 11/30(2006.01)(54)发明名称利用共聚焦激光扫描显微系统测量介质表面粗糙度的方法(57)摘要利用共聚焦激光扫描显微系统测量介质表面粗糙度的方法涉及精密加工与精确测量领域，该方法包括设计了共聚焦激光扫描显微系统，在探测器前设置可调针孔光阑；设计了扫描范围100微米控制精度可达10纳米的激光扫描器和物距与倾角都可调的载物台，选定405纳米波长激光器；设定光阑针孔为<1.0艾里单元的某值、选择扫描范围和扫描层厚度后进行扫描并存储数据；重建扫描图，在平面内选定一形貌曲线，给出形貌曲线的峰值粗糙度和总粗糙度的平均值；获得同一波导多个采样长度的峰值粗糙度和总粗糙度平均值；对多个波导多个采样长度的表面粗糙度测量获得峰值粗糙度和总粗糙度的平均值；该方法可用于大规模微纳型结构在生产中的无损在线快速检测。
权利要求书2页 说明书6页 附图6页CN 109884061 A 2019.06.14C N 109884061A1.利用共聚焦激光扫描显微系统测量介质表面粗糙度的方法，其特征在于，该方法使用的共聚焦激光扫描显微系统包括：短波长激光器、激光扩束透镜、二向色镜、二向色镜控制器、大口径物镜、针孔光阑、过滤器、光电倍增管和计算机；该无损测量方法包括如下步骤：步骤一：短波长激光器发出的激光经由激光扩束透镜扩束，通过二向色镜反射到大口径物镜后聚焦在被测物体内部，形成一个纳米级大小的光斑；所述光斑携带被检测区域信息反射回大口径物镜和二向色镜后透射通过针孔光阑成像，通过过滤器后被光电倍增管所接收，存储到计算机中，其中所述针孔光阑设置在像点位置，孔径小于艾里斑单元；步骤二：在被测物体的上表面分别沿水平和垂直半径上设定数量相同的测试点，在所述测试点内确定测试范围的平面，通过二向色镜控制器控制二向色镜做俯仰和左右运动，使光斑在所述平面附近从左到右进行扫描成像，然后调节二向色镜控制器使二向色镜移动，扫描深度以纳米级步长向上移动，进行第二次扫描成像……重复以上步骤，直至扫描成像覆盖所述平面，形成图像存储在计算机中；步骤三：在所述平面内选定一形貌曲线，对其中的一段放大，计算得到这一条形貌曲线由共聚焦激光扫描显微系统给出的峰值粗糙度和总粗糙度的平均值，并给出了测量误差；进而获得同一波导多个采样长度的峰值粗糙度和总粗糙度平均值；对一个波导多个采样长度的重复上述表面粗糙度测量获得多个波导多个采样长度峰值粗糙度和总粗糙度的平均值，并进一步获得峰值粗糙度和总粗糙度的最后平均值；步骤四：在所述被测物体上的所有测试点重复步骤三，最终得到了被测物体上表面的粗糙度。
【CN109945800A】一种用于三维面型测量的线形光谱共焦系统【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910244320.4(22)申请日 2019.03.28(71)申请人 浙江大学地址 310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘路866号(72)发明人 郑臻荣 孙妍 陶骁 王畅 杨琳 王旭成 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公司 33200代理人 郑海峰(51)Int.Cl.G01B 11/24(2006.01)(54)发明名称一种用于三维面型测量的线形光谱共焦系统(57)摘要本发明公开一种用于三维面型测量的线形光谱共焦系统，包括：宽光谱光源，用于提供有一定波长范围的光辐射；透射光栅，用于将光辐射源发射的光辐射分成分离的波长；柱面镜组，用于使不同波长的光辐射聚焦在被测物体表面法向的不同高度上，且在垂直于子午面方向上，不改变辐射光的传播方向；光辐射处理单元，在镜面反射方向上接受从被测量物体表面反射的光辐射，并引导至所述检测器；探测器，用于接收从所测量的物体反射的辐射。
本发明使用光栅实现色散，可以更大程度地实现光谱分离，在面形测量时可以测量更大的深度范围；并且使用柱面镜组，实现线形探测，在得到平面平整度信息时可以只用进行一个维度的扫描。
权利要求书2页 说明书5页 附图3页CN 109945800 A 2019.06.28C N 109945800A1.一种用于三维面型测量的线形光谱共焦的测量装置，其特征在于，包括：宽光谱光源，用于提供有一定波长范围的光辐射；透射光栅，用于调整所述光辐射，以将所述光辐射分成分离的波长，柱面镜组，用于调整经过所述透射光栅后的光辐射，使所述分离波长的光辐射从不同的方向上引导至所测量的物体表面，从而使不同波长的光辐射聚焦在被测物体表面法向上的不同高度处；并且在垂直于子午面方向上，不改变辐射光的传播方向；光辐射处理单元，在镜面反射方向上接收从所测量的物体表面反射的光辐射，且仅有聚焦在被测物体表面测量点的光辐射才能够与聚焦前的光路对称地进入所述光辐射处理单元；光辐射处理单元并将接收的光辐射引导至探测器，探测器，用于接收从所测量的物体反射的辐射。
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权 利 要 求 书
2/2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
权利要求书2页 说明书6页 附图2页
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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
( 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。
( 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
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
(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 109781015 A (43)申请公布日 2019.05.21