一种非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法技术

本发明专利技术涉及一种非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法，该方法具体为：在样品加工前后，控制两束具有相同角度及高度的激光对称入射至样品加工表面，并反射至PSD(position sensitive detector)传感器光敏层，随着样品在加工过程中厚度或者倾角发生微小的变化，光斑能量中心逐渐发生位移，根据PSD传感器采集的样品加工前后光斑能量中心的变化，获得样品加工表面倾角及厚度变化。与现有技术相比，本发明专利技术测量精度高，操作方便简单，并且作为一种非接触式检测方法，对样品表面没有损伤。

A Non-contact Measuring Method for Minimal Change of Surface Inclination and Thickness in Sample Processing

The invention relates to a non-contact method for measuring the slight change of surface inclination and thickness of sample processing. The method is as follows: before and after sample processing, two laser beams with the same angle and height are controlled to symmetrically incident on the sample processing surface, and reflected to the photosensitive layer of PSD (position sensitive detector) sensor. The energy center of the facula gradually shifts with the change of the energy center. According to the change of the energy center of the facula collected by the PSD sensor before and after processing, the change of the surface inclination and thickness of the facula can be obtained. Compared with the prior art, the method has the advantages of high measurement accuracy, simple operation and no damage to the sample surface as a non-contact detection method.

【技术实现步骤摘要】
一种非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法
本专利技术涉及一种光学测量方法，尤其是涉及一种非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法。
技术介绍
常用的厚度测量仪器包括数显千分尺，螺旋测微器等，也有利用声波或者光波等的非接触式测量手段。这些仪器主要的目的是测量物体的厚度，而非针对测量厚度的微小变化。常用的角度测量仪器往往只是考虑物体因旋转等因素造成的读数变化，忽略了测量过程中被测物体可能存在的平移。现有测量仪器通常为接触式测量仪器，能满足大部分日常生产生活需要；然而在某些特殊情况下，被测表面不能被直接接触，接触式测量方法不仅可能会影响材料的形状与结构，而且精度十分有限。此时高精度的非接触式测量装置显现出其独特优势。因此，不少工业生产需要高精度的非接触式测量方法和仪器。目前，在工业上有利用激光二维扫描非接触式测量物件尺寸和厚度的技术。该技术利用物件对激光的遮挡，在接收屏上产生并记录光强差，从而确定待测物件的轮廓，因此可用于测量物件尺寸。但该方法通常只能测量某一点的厚度，无法测量出样品两端厚度差，也无法得知样品表面的倾角变化。而传统的厚度差测量需要直接接触待加工样品表面，这将会给样品表面带来污染甚至损伤，因此需要一种非接触式表面倾角测量方法。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术缺陷而提供一种非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法，该方法具体为：在样品加工前后，控制两束具有相同角度及高度的激光对称入射至样品加工表面，并反射至PSD传感器光敏层，根据PSD传感器采集的样品加工前后光斑能量中心的变化，获得样品加工表面倾角及厚度变化。进一步地，所述样品加工表面的粗糙度Ra≤2μm。进一步地，所述样品加工表面倾角变化β满足β·(s1+s2)＜＜s1+s2，厚度变化Δh相对于s1，s2是小量，其中，s1，s2为光线从反射点到光敏层辐照能量中心的距离。进一步地，所述根据PSD传感器采集的样品加工前后光斑能量中心的变化，获得样品加工表面倾角及厚度变化具体为：Δx1＝x1-x10＞0，Δx2＝x2-x20＜0其中，x10为左侧激光打在样品初始表面反射到PSD传感器距离光敏层中心的距离；x1为左侧激光打在加工后待测样品表面反射到PSD传感器距离光敏层中心的距离；x20为右侧激光打在样品初始表面反射到PSD传感器距离光敏层中心的距离；x2为右侧激光打在待测样品加工后表面反射到PSD传感器距离光敏层中心的距离；α为激光与竖直方向的夹角。进一步地，所述PSD传感器为一维PSD传感器，采用的激光器为线状激光器。进一步地，所述PSD传感器为二维PSD传感器，采用的激光器为点状激光器。进一步地，该方法还包括对初始参数进行标定。进一步地，所述PSD传感器连接有电压稳定输出的电源。进一步地，所述激光与竖直方向的夹角范围为30°～60°。与现有技术相比，本专利技术具有以如下有益效果：1、本专利技术为一种非接触式的光学测量方法，具备精度高，读数稳定，能区分开由于加工样品厚度或者倾角带来的读数变化，且计算原理相对简单，便于误差分析。2、本专利技术适用于研磨抛光领域，用以检测研抛样品厚度变化。3、本专利技术同样适用于取向研磨抛光领域，同时检测研抛样品厚度变化和表面倾角变化，用以修正样品加工表面实际晶向和理想晶向的偏角。4、本专利技术测量精度高，操作方便简单，并且作为一种非接触式检测方法，对样品表面没有损伤。附图说明图1为本专利技术的原理示意图；图2为一维PSD传感器结构示意图；图3为PSD传感器中光斑能量中心离光敏层中心的距离计算原理示意图；图4为PSD传感器误差特性曲线图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。本专利技术一种非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法，该方法具体为：在样品加工前后，控制两束具有相同角度及高度的激光对称入射至样品加工表面，并反射至PSD传感器光敏层，根据PSD传感器采集的样品加工前后光斑能量中心的变化，获得样品加工表面倾角变化(精度在10角秒左右)及厚度变化(精度达1μm以下)。PSD(PositionSensitivedetector，位置敏感探测器)是一种能探测光点在其光敏层上连续位置的光电传感器，能够将光点能量中心的位置转化为电信号输出。PSD传感器具有位置分辨率高，响应速度快和处理电路简单等的优点。PSD传感器有一维和二维之分，一维PSD传感器光敏层为长条形，反映光斑在光敏层纵向方向的连续位移。二维PSD传感器光敏层一般为正方形，能反映光斑在其光敏层上两个垂直方向上的连续位移。PSD传感器为一维PSD传感器时，采用的激光器为小角度发散的线状激光器。PSD传感器为二维PSD传感器时，采用的激光器为能量稳定出射的点状激光器。当待测表面发生了平移或一定角度的旋转，两者都会影响光斑在PSD传感器上的位置。若影响的程度在同一数量级上，则必须综合考虑两者的影响。激光打在样品表面会发生反射和散射，散射只会减弱激光入射到PSD传感器光敏层的光强，并不会带来激光光束能量中心的偏差。当研磨样品加工表面粗糙度较低时(Ra≤2μm)，反射是主要的，反射光的能量能在PSD传感器上激发足够的光电流。两路激光以一致的角度和高度入射，并且光斑应当尽量接近PSD传感器光敏层中心位置。假设激光落点x在光敏层中点左边为负，右边为正，这里的正负决定倾角变化的方向。为了方便讨论，假设待测样品表面发生如图1所示的变化，倾角变化角β大于0。如图1所示，红色线条表示实际光路，两侧激光以与竖直方向呈α角入射到样品表面，经过样品表面反射后打在PSD传感器光敏层。样品初始表面与光敏面存在初始倾斜角θ，经过一段时间加工后待测样品表面与初始表面之间形成夹角β。x10为左侧激光打在样品初始表面反射到PSD传感器距离光敏层中心的距离；x1为左侧激光打在加工后待测样品表面反射到PSD传感器距离光敏层中心的距离；x20为右侧激光打在样品初始表面反射到PSD传感器距离光敏层中心的距离；x2为右侧激光打在待测样品加工后表面反射到PSD传感器距离光敏层中心的距离；α为激光与竖直方向的夹角。s1，s2为光线从反射点到光敏层辐照能量中心的距离。本专利技术针对微小尺寸变化测量，假设了样品厚度变化Δh相对于s1，s2是小量，倾角变化量β·(s1+s2)＜＜s1+s2。经过调零后，令Δx1＝x1-x10＞0，Δx2＝x2-x20＜0近似有：其中s1，s2利用正弦定理可以表示为(3)(4)两式：若样品加工表面近似平行于PSD传感器光敏层，即θ→0°，则d1＝d2＝d，s1＝s2＝s＝dcscα/2。(1)(2)两式化简为：利用(3)～(6)式，可以快速地求解出加工样品表面厚度变化和倾角变化。若α较小，会降低厚度变化的测量精度，但是会提高由于倾角微小变化测量精度；本实施例中激光入射角α选取在30°～60°之间，在实际应用中应当综合考虑加工需求和样品尺寸要求，选择合理的参数。如图4所示，激光能量中心越接近PSD传感器光敏层中心，测量精度越高。若是样品加工过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法，其特征在于，该方法具体为：在样品加工前后，控制两束具有相同角度及高度的激光对称入射至样品加工表面，并反射至PSD传感器光敏层，根据PSD传感器采集的样品加工前后光斑能量中心的变化，获得样品加工表面倾角及厚度变化。

【技术特征摘要】
1.一种非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法，其特征在于，该方法具体为：在样品加工前后，控制两束具有相同角度及高度的激光对称入射至样品加工表面，并反射至PSD传感器光敏层，根据PSD传感器采集的样品加工前后光斑能量中心的变化，获得样品加工表面倾角及厚度变化。2.根据权利要求1所述的非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法，其特征在于，所述样品加工表面的粗糙度Ra≤2μm。3.根据权利要求1所述的非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法，其特征在于，所述样品加工表面倾角变化β满足β·(s1+s2)＜＜s1+s2，厚度变化Δh相对于s1,s2是小量，其中，s1,s2为光线从反射点到光敏层辐照能量中心的距离。4.根据权利要求3所述的非接触式样品加工表面倾角及厚度微小变化测量方法，其特征在于，所述根据PSD传感器采集的样品加工前后光斑能量中心的变化，获得样品加工表面倾角及厚度变化具体为：Δx1＝x1-x10＞0，Δx2＝x2-x20＜0其中，x10为左侧激光打在样品初始表面反射到PSD传感器距离光敏...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱杰，蒋成龙，穆宝忠，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31