高采樣速率光譜共焦測量儀

由于光譜共焦傳感器對于不同的反射面反射回來的單色光的波長不同，因此對于材料的厚度精密測量具有獨特的優(yōu)勢。光學(xué)玻璃、生物薄膜、平行平板等，兩個反射面都會反射不同波長的單色光，進而只需一個傳感器，即可推算出厚度，測量精度可達(dá)微米量級，且不損傷被測表面。利用光譜共焦位移傳感器測量透明材料厚度的應(yīng)用，計算了該系統(tǒng)的測量誤差范圍大概為 0.005mm。利用光譜共焦傳感器對平行平板的厚度以及光學(xué)鏡頭的中心厚度進行測量的方法，并針對被測物體材料的色散對厚度測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時監(jiān)控制備后的薄膜厚度，利用對頂安裝的白光共焦傳感器組 ，實現(xiàn)了對厚度為 10—100μm 的金屬薄膜厚度及分布的精確測量，并進行了測量不確定度分析，得到系統(tǒng)的測量不確定度為 0.12μm 左右。光譜共焦技術(shù)的研究和應(yīng)用將推動中國科技事業(yè)的發(fā)展。高采樣速率光譜共焦測量儀

高像素傳感器設(shè)計方案取決于的光對焦水平，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度的全半寬來精確測量。高NA能夠降低半寬，提高分辨率。因而，在設(shè)計超色差攝像鏡頭時，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，使待測表層輪廊以比較大視角或一定方向歪斜?？墒?，NA的提高也會導(dǎo)致球差擴大，并產(chǎn)生電子光學(xué)設(shè)計優(yōu)化難度。傳感器檢測范圍主要是由超色差鏡片的縱向色差確定。因為光譜儀在各個波長的像素一致，假如縱向色差與波長之間存在離散系統(tǒng)，這類離散系統(tǒng)也會導(dǎo)致感應(yīng)器在各個波長的像素或敏感度存在較大差別，危害傳感器特性?？v向色差與波長的線性相關(guān)選用線形相關(guān)系數(shù)來精確測量，必須接近1。一般有兩種方法能夠形成充足強的色差：運用玻璃的當(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、成本相對高外，當(dāng)能見光根據(jù)時 ，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現(xiàn)對材料的變形過程進行實時監(jiān)測，對于研究材料的力學(xué)行為具有重要意義。

共焦測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)的精密測量。本文通過分析白光共焦光譜的基本原理，建立了透明靶丸內(nèi)表面圓周輪廓測量校準(zhǔn)模型;同時，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量系統(tǒng)和靶丸圓心精密定位方法，實現(xiàn)了透明靶丸內(nèi)、外表面圓周輪廓的納米級精度測量。用白光共焦光譜測量靶丸殼層內(nèi)表面輪廓數(shù)據(jù)時，其測量結(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量數(shù)據(jù)等因素緊密相關(guān)。

采用對比測試方法，首先對基于白光共焦光譜技術(shù)的靶丸外表面輪廓測量精度進行了考核，為了便于比較，將原子力顯微鏡輪廓儀的測量數(shù)據(jù)進行了偏移。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量。從靶丸外表面輪廓原子力顯微鏡輪廓儀測量數(shù)據(jù)和白光共焦光譜輪廓儀測量數(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)，兩種方法的測量結(jié)果一致性較好，當(dāng)模數(shù)大于100時，白光共焦光譜的測量數(shù)據(jù)大于原子力顯微鏡的測量數(shù)據(jù)，這也反應(yīng)了白光共焦光譜儀在高頻段測量數(shù)據(jù)信噪比相對較差的特點。由于光譜傳感器Z向分辨率比原子力低一個量級，同時，受環(huán)境振動、光譜儀采樣率及樣品表面散射光等因素的影響，共焦光譜檢測數(shù)據(jù)高頻隨機噪聲可達(dá)100nm左右 。光譜共焦技術(shù)具有軸向按層分析功能；

因為共焦測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精度測量系統(tǒng)和靶丸圓心精密位置確定方法，使用白光共焦光譜測量靶丸殼層內(nèi)表面輪廓數(shù)據(jù)時，其測量精度受到多個因素的影響，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量數(shù)據(jù)。國內(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)測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用；高采樣速率光譜共焦測量儀

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)散成一系列波長不同的單色光，通過同軸聚焦在一定范圍內(nèi)形成一個連續(xù)的焦點組 ，每個焦點的單色光波長對應(yīng)一個軸向位置。當(dāng)樣品位于焦點范圍內(nèi)時，樣品表面會聚焦后的光反射回去，這些反射回來的光再經(jīng)過與鏡頭組焦距相同的聚焦鏡再次聚焦后通過狹縫進入控制箱中的單色儀。因此，只有位于樣品表面的焦點位置才能聚焦在狹縫上，單色儀將該波長的光分離出來，由控制箱中的光電組件識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量要求。高采樣速率光譜共焦測量儀