高采樣速率光譜共焦測(cè)量?jī)x

由于光譜共焦傳感器對(duì)于不同的反射面反射回來(lái)的單色光的波長(zhǎng)不同，因此對(duì)于材料的厚度精密測(cè)量具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。光學(xué)玻璃、生物薄膜、平行平板等，兩個(gè)反射面都會(huì)反射不同波長(zhǎng)的單色光，進(jìn)而只需一個(gè)傳感器，即可推算出厚度，測(cè)量精度可達(dá)微米量級(jí)，且不損傷被測(cè)表面。利用光譜共焦位移傳感器測(cè)量透明材料厚度的應(yīng)用，計(jì)算了該系統(tǒng)的測(cè)量誤差范圍大概為 0.005mm。利用光譜共焦傳感器對(duì)平行平板的厚度以及光學(xué)鏡頭的中心厚度進(jìn)行測(cè)量的方法，并針對(duì)被測(cè)物體材料的色散對(duì)厚度測(cè)量精度的影響做了理論的分析。為了探究由流體跌落方式制備的薄膜厚度與跌落模式、雷諾數(shù)、底板的傾斜角度之間的關(guān)系，采用光譜共焦傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控制備后的薄膜厚度，利用對(duì)頂安裝的白光共焦傳感器組 ，實(shí)現(xiàn)了對(duì)厚度為 10—100μm 的金屬薄膜厚度及分布的精確測(cè)量，并進(jìn)行了測(cè)量不確定度分析，得到系統(tǒng)的測(cè)量不確定度為 0.12μm 左右。光譜共焦技術(shù)的研究和應(yīng)用將推動(dòng)中國(guó)科技事業(yè)的發(fā)展。高采樣速率光譜共焦測(cè)量?jī)x

高像素傳感器設(shè)計(jì)方案取決于的光對(duì)焦水平，要求嚴(yán)格圖象室內(nèi)空間NA的眼鏡片。另一方面，光譜共焦位移傳感器的屏幕分辨率通常采用光譜抗壓強(qiáng)度的全半寬來(lái)精確測(cè)量。高NA能夠降低半寬，提高分辨率。因而，在設(shè)計(jì)超色差攝像鏡頭時(shí)，NA應(yīng)盡可能高的。高圖象室內(nèi)空間NA能提高傳感器系統(tǒng)的燈源使用率，使待測(cè)表層輪廊以比較大視角或一定方向歪斜?？墒?，NA的提高也會(huì)導(dǎo)致球差擴(kuò)大，并產(chǎn)生電子光學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化難度。傳感器檢測(cè)范圍主要是由超色差鏡片的縱向色差確定。因?yàn)楣庾V儀在各個(gè)波長(zhǎng)的像素一致，假如縱向色差與波長(zhǎng)之間存在離散系統(tǒng)，這類離散系統(tǒng)也會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)器在各個(gè)波長(zhǎng)的像素或敏感度存在較大差別，危害傳感器特性。縱向色差與波長(zhǎng)的線性相關(guān)選用線形相關(guān)系數(shù)來(lái)精確測(cè)量，必須接近1。一般有兩種方法能夠形成充足強(qiáng)的色差：運(yùn)用玻璃的當(dāng)然散射;應(yīng)用衍射光學(xué)元器件(DOE)。除開生產(chǎn)制造難度高、成本相對(duì)高外，當(dāng)能見光根據(jù)時(shí) ，透射耗損也非常高。原裝光譜共焦原理光譜共焦位移傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的變形過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于研究材料的力學(xué)行為具有重要意義。

共焦測(cè)量方法由于具有高精度的三維成像能力 ，已經(jīng)大量用于表面輪廓與三維精細(xì)結(jié)構(gòu)的精密測(cè)量。本文通過(guò)分析白光共焦光譜的基本原理，建立了透明靶丸內(nèi)表面圓周輪廓測(cè)量校準(zhǔn)模型;同時(shí)，基于白光共焦光譜并結(jié)合精密旋轉(zhuǎn)軸系，建立了靶丸內(nèi)表面圓周輪廓精密測(cè)量系統(tǒng)和靶丸圓心精密定位方法，實(shí)現(xiàn)了透明靶丸內(nèi)、外表面圓周輪廓的納米級(jí)精度測(cè)量。用白光共焦光譜測(cè)量靶丸殼層內(nèi)表面輪廓數(shù)據(jù)時(shí)，其測(cè)量結(jié)果與白光共焦光譜傳感器光線的入射角、靶丸殼層厚度、殼層材料折射率、靶丸內(nèi)外表面輪廓的直接測(cè)量數(shù)據(jù)等因素緊密相關(guān)。

采用對(duì)比測(cè)試方法，首先對(duì)基于白光共焦光譜技術(shù)的靶丸外表面輪廓測(cè)量精度進(jìn)行了考核，為了便于比較，將原子力顯微鏡輪廓儀的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了偏移。結(jié)果得出，二者的低階輪廓整體相似，局部的輪廓信息存在一定的偏差，原因在于二者在靶丸赤道附近的精確測(cè)量圓周輪廓結(jié)果不一致;此外，白光共焦光譜的信噪比較原子力低，這表明白光共焦光譜適用于靶丸表面低階的輪廓誤差的測(cè)量。從靶丸外表面輪廓原子力顯微鏡輪廓儀測(cè)量數(shù)據(jù)和白光共焦光譜輪廓儀測(cè)量數(shù)據(jù)的功率譜曲線中可以看出，在模數(shù)低于100的功率譜范圍內(nèi)，兩種方法的測(cè)量結(jié)果一致性較好，當(dāng)模數(shù)大于100時(shí)，白光共焦光譜的測(cè)量數(shù)據(jù)大于原子力顯微鏡的測(cè)量數(shù)據(jù)，這也反應(yīng)了白光共焦光譜儀在高頻段測(cè)量數(shù)據(jù)信噪比相對(duì)較差的特點(diǎn)。由于光譜傳感器Z向分辨率比原子力低一個(gè)量級(jí)，同時(shí)，受環(huán)境振動(dòng)、光譜儀采樣率及樣品表面散射光等因素的影響，共焦光譜檢測(cè)數(shù)據(jù)高頻隨機(jī)噪聲可達(dá)100nm左右 。光譜共焦技術(shù)具有軸向按層分析功能；

因?yàn)楣步箿y(cè)量方法具有高精度的三維成像能力，所以它已被用于表面輪廓和三維結(jié)構(gòu)的精密測(cè)量。本文分析了白光共焦光譜的基本原理，建立了透明靶丸內(nèi)表面圓周輪廓測(cè)量校準(zhǔn)模型，并基于白光共焦光譜和精密旋轉(zhuǎn)軸系，開發(fā)了透明靶丸內(nèi)、外表面圓周輪廓的納米級(jí)精度測(cè)量系統(tǒng)和靶丸圓心精密位置確定方法，使用白光共焦光譜測(cè)量靶丸殼層內(nèi)表面輪廓數(shù)據(jù)時(shí)，其測(cè)量精度受到多個(gè)因素的影響，如白光共焦光譜傳感器光線的入射角、靶丸殼層厚度、殼層材料折射率和靶丸內(nèi)外表面輪廓的直接測(cè)量數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多光譜共焦技術(shù)的研究成果發(fā)表；高精度光譜共焦傳感器精度

光譜共焦技術(shù)在醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用；高采樣速率光譜共焦測(cè)量?jī)x

光譜共焦位移傳感器包括光源、透鏡組和控制箱等組成部分 。光源發(fā)出一束白光，透鏡組將其發(fā)散成一系列波長(zhǎng)不同的單色光，通過(guò)同軸聚焦在一定范圍內(nèi)形成一個(gè)連續(xù)的焦點(diǎn)組 ，每個(gè)焦點(diǎn)的單色光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)一個(gè)軸向位置。當(dāng)樣品位于焦點(diǎn)范圍內(nèi)時(shí)，樣品表面會(huì)聚焦后的光反射回去，這些反射回來(lái)的光再經(jīng)過(guò)與鏡頭組焦距相同的聚焦鏡再次聚焦后通過(guò)狹縫進(jìn)入控制箱中的單色儀。因此，只有位于樣品表面的焦點(diǎn)位置才能聚焦在狹縫上，單色儀將該波長(zhǎng)的光分離出來(lái)，由控制箱中的光電組件識(shí)別并獲取樣品的軸向位置。采用高數(shù)值孔徑的聚焦鏡頭可以使傳感器達(dá)到較高分辨率，滿足薄膜厚度分布測(cè)量要求。高采樣速率光譜共焦測(cè)量?jī)x