一种用于色散共焦峰值提取的补偿拟合差分信号方法技术

本发明专利技术公开了一种用于色散共焦峰值提取的补偿拟合差分信号方法，其通过线性最小二乘法拟合归一化的离散光谱响应信号的差分信号得到初始峰值波长，进一步得到归一化的离散光谱响应信号初始峰值波长与理想峰值波长之间的误差并对其进行一阶导数变形，求解一阶导数变形的微分方程得到拟合的归一化的离散光谱响应信号初始峰值波长与理想峰值波长X之间的误差，进一步得到归一化的离散光谱响应信号的理想峰值波长的拟合值，从而实现利用归一化的离散光谱响应信号的理想峰值波长的拟合值进行色散共焦的快速测量，以确保色散共焦的快速测量的准确性。

A Compensation Fitting Differential Signal Method for Extracting Dispersion Confocal Peak

The invention discloses a compensation fitting differential signal method for extracting confocal peak value of dispersion. The initial peak wavelength is obtained by fitting the differential signal of normalized discrete spectral response signal with the linear least square method, and the error between the initial peak wavelength of normalized discrete spectral response signal and the ideal peak wavelength is further obtained, and the first derivative distortion is carried out. The error between the initial peak wavelength of the normalized discrete spectral response signal and the ideal peak wavelength X is obtained by solving the differential equation of the first derivative distortion. The fitting value of the ideal peak wavelength of the normalized discrete spectral response signal is further obtained. Thus, the fast measurement of the dispersion confocal is realized by using the fitting value of the ideal peak wavelength of the normalized discrete spectral response signal. Quantity to ensure the accuracy of fast measurement of dispersion confocal.

【技术实现步骤摘要】
一种用于色散共焦峰值提取的补偿拟合差分信号方法
本专利技术属于共焦测量领域，具体涉及利用一种用于色散共焦峰值提取的补偿拟合差分信号方法。
技术介绍
共焦显微测量技术主要用于消除普通显微镜在探测样品时的多重散射光，类似于共焦显微测量，色散共焦显微技术中点光源经过半透半反镜和色散透镜后在其后面的像面上聚焦成像，色散透镜可以使得不同入射光波聚焦在轴向不同位置。色散共焦显微技术常用于微纳表面结构测量、快速坐标测量、透明介质厚度测量和在线工艺检测等。在实际色散共焦显微测量中，若在平面某处放置一物体，则所有波长的光均会反射，反射光经色散透镜、半反半透镜和针孔被光谱仪接收，物体位置对应波长的光在光谱仪上会最强，而其他波长的反射光会被针孔削弱，从而形成光谱响应信号。如果物体放置位置不同，则光谱信号所对应的峰值波长也不同，建立峰值波长与物体位置间的精确编码，就可以根据光谱响应信号的峰值波长推算被测对象在该位置的高度信息。在色散共焦显微测量中，光谱响应信号的快速准确可靠提取直接影响最终测量结果准确度和可靠性以及测量频率，其要求峰值提取算法同时具有优越的峰值性能(高准确性，高可靠性)和良好的计算效率。现有的峰值提取算法包括大值法(MPM)，重心法(COM),抛物线拟合法(PFM),高斯拟合法(GFM)和sinc2拟合法(SFM)。其中最大值法(MPM)通过直接选取光强最大点所对应的光谱波长作为峰值，其极容易受到噪声的影响，但具有极高的计算效率；重心法(COM)具有较高的峰值提取准确性和可靠性，具有较高的计算效率；而拟合法如抛物线拟合法(PFM)、高斯拟合法(GFM)和sinc2拟合法(SFM)的峰值提取准确性和可靠性更高，但计算效率过低，难以实现快速在线测量。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种用于色散共焦峰值提取的补偿拟合差分信号方法，其通过线性最小二乘法拟合归一化的离散光谱响应信号的差分信号得到初始峰值波长，进一步拟合归一化的离散光谱响应信号初始峰值波长与理想峰值波长之间的误差并对其进行一阶导数变形，求解一阶导数变形的微分方程得到归一化的离散光谱响应信号的理想峰值波长的拟合值，从而实现利用归一化的离散光谱响应信号的理想峰值波长的拟合值进行色散共焦的快速测量，以确保色散共焦的快速测量的准确性。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种用于色散共焦峰值提取的补偿拟合差分信号方法，具体步骤为：S1.利用色散共焦显微镜获取光谱仪上接收的离散光谱响应信号的波长和光强信息得到归一化的离散光谱响应信号，将归一化的离散光谱响应信号表示为Ik＝g(λk-X)；式中，k＝-i,...,i，λk和Ik分别为归一化的离散光谱响应信号第k个采样点处的波长和光强，X表示归一化的离散光谱响应信号对应的理想峰值波长，函数g为表示归一化的离散光谱响应信号；S2.计算k＝-i+1,...,i-1时归一化的离散光谱响应信号的差分信号其中，fk表示归一化的离散光谱响应信号的差分信号第k个采样点处的光强，Ik+1和Ik-1分别表示归一化的离散光谱响应信号第k+1个和第k-1个采样点处的光强，令fi＝0和f-i＝0；S3.用线性最小二乘法拟合归一化的离散光谱响应信号的差分信号得到初始峰值波长其中，A、B为分别为第一变量、第二变量，A、B表达式为：S4.步骤S3中拟合的归一化的离散光谱响应信号初始峰值波长与理想峰值波长X之间的误差表示为e(X)＝p(X)-X，求取其一阶导数变形后得到微分方程其中，C1、C2分别为第三变量和第四变量，其表达式为S5.求解步骤S4中的微分方程得到e(X)≈-(1+C1)X，进一步得到归一化的离散光谱响应信号的理想峰值波长X的拟合值cp(X)＝p(X)-e(X)，从而实现利用归一化的离散光谱响应信号理想峰值波长X的拟合值cp(X)进行色散共焦的快速测量，以确保色散共焦的快速测量的准确性。作为本专利技术的进一步改进，步骤S5中理想峰值波长X的近似值表示为：归一化的离散光谱响应信号理想峰值波长X的拟合值cp(X)表示为：式中，g'(λ-k-X)和g'(λk-X)分别为归一化的离散光谱响应信号第-k个和第k个采样点的一阶导数值。作为本专利技术的进一步改进，g'(λ-k-X)和g'(λk-X)依据归一化的离散光谱响应信号的中心差分近似求取。作为本专利技术的进一步改进，归一化的离散光谱响应信号具体为：预设有强度阈值T，小于强度阈值T的离散光谱响应信号不属于所述归一化的离散光谱响应信号。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：1.本专利技术的一种用于色散共焦峰值提取的补偿拟合差分信号方法，其通过线性最小二乘法拟合归一化的离散光谱响应信号的差分信号得到初始峰值波长，进一步拟合一化的离散光谱响应信号初始峰值波长与理想峰值波长之间的误差并对其进行一阶导数变形，求解一阶导数变形的微分方程得到归一化的离散光谱响应信号的理想峰值波长的拟合值，从而实现利用归一化的离散光谱响应信号的理想峰值波长的拟合值进行色散共焦的快速测量，以确保色散共焦的快速测量的准确性。2.本专利技术的一种用于色散共焦峰值提取的补偿拟合差分信号方法，其通过泰勒级数展开归一化的离散光谱响应信号求得理想峰值波长的近似值，带入微分方程中求得系统误差后再求得归一化的离散光谱响应信号的理想峰值波长的拟合值，从而减少了泰勒级数的噪声及数学模型不对称性的影响，从而进一步确保色散共焦的快速测量的准确性。3.本专利技术的一种用于色散共焦峰值提取的补偿拟合差分信号方法，其归一化的离散光谱响应信号通过设置强度阈值T来去除噪声点，提高归一化的离散光谱响应信号的准确度，从而一步确保色散共焦的快速测量的准确性。附图说明图1为本专利技术实施例的用于色散共焦峰值提取的补偿拟合差分信号方法的信号归一化示意图；图2为本专利技术实施例的技术方案与现有技术中的技术方案的峰值提取标准差对比示意图；图3为本专利技术实施例的技术方案与现有技术中的技术方案的峰值提取系统误差对比示意图；图4为本专利技术实施例的技术方案与现有技术中的技术方案的计算效率对比示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本专利技术进一步详细说明。S1.利用色散共焦显微镜获取光谱仪上接收的离散光谱响应信号的波长和光强信息得到归一化的离散光谱响应信号，将归一化的离散光谱响应信号表示为Ik＝g(λk-X)；式中，k＝-i,...,i，λk和Ik分别为归一化的离散光谱响应信号第k个采样点处的波长和光强，X表示归一化的离散光谱响应信号对应的理想峰值波长，函数g为表示归一化的离散光谱响应信号；具体为：在色散共焦显微镜中，光谱仪上接收的离散光谱响应信号(SRS)，SRS信号可以表示为两个行向量，由于在实际测量中，离散的波长采样序列中波长值是恒大于0的，因此可以以采样序列的某点为参考波长，将其设置为第0个采样点的波长。从而，SRS信号的波长信息可以表述如下：其中，式中表示离散采样信号波长序列，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于色散共焦峰值提取的补偿拟合差分信号方法，其特征在于，具体步骤为：S1.利用色散共焦显微镜获取光谱仪上接收的离散光谱响应信号的波长和光强信息得到归一化的离散光谱响应信号，将归一化的离散光谱响应信号表示为Ik＝g(λk‑X)；式中，k＝‑i,...,i，λk和Ik分别为归一化的离散光谱响应信号第k个采样点处的波长和光强，X表示归一化的离散光谱响应信号对应的理想峰值波长，函数g为表示归一化的离散光谱响应信号；S2.计算k＝‑i+1,...,i‑1时归一化的离散光谱响应信号的差分信号

【技术特征摘要】
1.一种用于色散共焦峰值提取的补偿拟合差分信号方法，其特征在于，具体步骤为：S1.利用色散共焦显微镜获取光谱仪上接收的离散光谱响应信号的波长和光强信息得到归一化的离散光谱响应信号，将归一化的离散光谱响应信号表示为Ik＝g(λk-X)；式中，k＝-i,...,i，λk和Ik分别为归一化的离散光谱响应信号第k个采样点处的波长和光强，X表示归一化的离散光谱响应信号对应的理想峰值波长，函数g为表示归一化的离散光谱响应信号；S2.计算k＝-i+1,...,i-1时归一化的离散光谱响应信号的差分信号其中，fk表示归一化的离散光谱响应信号的差分信号第k个采样点处的光强，Ik+1和Ik-1分别表示归一化的离散光谱响应信号第k+1个和第k-1个采样点处的光强，令fi＝0和f-i＝0；S3.用线性最小二乘法拟合归一化的离散光谱响应信号的差分信号得到初始峰值波长其中，A、B为分别为第一变量、第二变量，A、B表达式为：S4.步骤S3中拟合的归一化的离散光谱响应信号初始峰值波长与理想峰值波长X之间的误差表示为e(X)＝p(X)-X，求取其一阶导数变形后得到微分方程其中，C1、C2分别为第三变...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢文龙，陈成，王健，杨文军，刘晓军，周莉萍，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42