时域热反射谱测量中的自动聚焦方法技术

本发明专利技术公开了一种时域热反射谱测量中的自动聚焦方法，包括如下步骤：根据光信号强度的变化确定电机的步进方向；记录步进电机每次步进的当前位置及光信号强度的数据并进行二次函数拟合，若拟合线存在信号强度最大值，且该最大值对应的电机位置在预设的步进位移范围内，则停止步进；将步进电机移到信号强度最大值所对应的位置坐标处，然后继续步进数次，记录步进电机的当前位置及光信号强度的数据并进行二次函数拟合，若拟合线存在信号强度最大值，且该最大值对应的电机位置在预设的步进位移范围内，则停止步进；然后将步进电机移到信号强度最大值所对应的位置坐标处，完成精细聚焦。本发明专利技术的自动聚焦方法精度高，可有效减少手动聚焦产生的误差。

【技术实现步骤摘要】
时域热反射谱测量中的自动聚焦方法
本专利技术涉及激光聚焦
，尤其涉及时域热反射谱测量中的泵浦光和探测光的自动聚焦方法。
技术介绍
随着现代微电子器件的尺寸不断减小，纳米尺度器件的散热变得越来越重要；随着热电材料的不断发现，性能优异且环境友好的热电器件也越来越受到关注。因此对材料热学性质的测量和对纳米尺度热输运性质的探究至关重要。时域热反射谱测量系统则是用于测量材料热学性质的瞬态测量技术的一种，其应用范围十分广泛，包括纳米薄膜、超晶格、纳米界面、纳米颗粒以及微尺度单晶等。该测量技术基于泵浦-探测的超快光学探测原理，由泵浦光引起样品表面温度升高，由探测光延迟一定时间后探测温度的变化情况，根据温度下降的速率，获得样品的热导率、声速、弹性模量等热学性质。该系统通常配以飞秒量级的激光光源，对于探究纳米尺度热输运机制也十分有利。测量的准确性对于热学性质的表征十分重要。在传统的时域热反射谱测量中，泵浦光和探测光光斑的重合情况，直接影响测量的准确性和科学性。但是，通常采用的手动聚焦方法误差较大，并且在变温测量过程中，温度变化使得样品台垂直方向发生形变，从而导致聚焦光斑不可控，影响测量的准确性。同时，长时间的测量和多次温度变化的情况下，使用手动聚焦极易增大误差，降低测量的准确性。
技术实现思路
为了克服以上现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种时域热反射谱测量中的自动聚焦方法，以解决手动聚焦误差大、温度变化导致聚焦光斑不可控的问题。为了实现上述专利技术的目的，本专利技术采用的技术方案是：时域热反射谱测量中的自动聚焦方法，包括如下步骤：(1)利用步进电机控制显微镜头沿同一方向移动数次，同步记录电机每次行进一步所对应的光信号强度，根据信号强度的变化确定电机的步进方向；(2)将步进电机从当前位置开始沿步骤(1)确定的步进方向步进数次，每步进一次，记录步进电机的当前位置以及光信号强度的数据，并对获得的数据进行二次函数拟合，若拟合线存在信号强度最大值，且该最大值对应的电机位置在预设的步进位移范围内，则停止步进；然后将步进电机移到信号强度最大值所对应的位置坐标处，完成粗聚焦；(3)继续将步骤(2)的步进电机步进数次，每步进一次，记录步进电机的当前位置以及光信号强度的数据，并对获得的数据进行二次函数拟合，若拟合线存在信号强度最大值，且该最大值对应的电机位置在预设的步进位移范围内，则停止步进；然后将步进电机移到信号强度最大值所对应的位置坐标处，完成精细聚焦。本专利技术的技术效果和优点是：第一，该自动聚焦方法精度高，可有效减少手动聚焦产生的误差。第二，该方法可有效避免变温测量过程中，样品台垂直形变对光斑产生的影响。在不同测量温度下，均可在正式测量前运行该自动聚焦方法，确保泵浦光和探测光的焦点重合、信号强度最大，保证测量的准确性和科学性。附图说明图1为本专利技术实施例的利用步进电机控制显微镜头对样品台形变进行反馈补偿的示意图，1-步进电机，2-物镜，3-样品，4-温度导致的样品台的形变。图2为本专利技术实施例的流程图。图3为本专利技术实施例的信号强度与电机行进步数的关系图，实线为二次拟合结果。(a)粗聚焦信号强度与电机行进步数的关系图；(b)精细聚焦信号强度与电机行进步数的关系图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术实施例进一步说明。本实施例中，以300nm二氧化硅为测量对象，对时域热反射谱测量系统进行光路调试，使光电探测器接收到测量信号。本实施例的步进电机控制显微镜头垂直位移的结构如图1所示。步进电机1通过转动带动显微镜物镜2上下垂直移动，从而调整通过显微镜头聚焦在样品3表面的光斑。本实施例的一种自动聚焦方法，如图2所示，包括如下步骤：S1位移方向判断步骤：步进电机从初始位置开始，沿正向进行试测，获得数次步进对应的光信号强度。若信号强度整体减小，则反转步进电机的步进方向；若信号强度整体增大，则保持正向。S2粗聚焦步骤：预设粗聚焦的步进位移范围及步进次数，从步进电机位移方向试测结束的位置开始，每步进一次，记录步进电机当前的位置以及光信号强度，并显示在动态记录窗口中。每次步进后，对记录的当前数据进行二次函数(y＝ax2+bx+c)拟合，若预设的步进位移范围内存在最大值，则停止粗聚焦步骤，否则再次步进数次，直至满足停止条件。选取粗聚焦二次拟合曲线中信号最大值对应的位置坐标，作为粗聚焦最佳聚焦位置，即中心位置。S3精细聚焦步骤：预设细聚焦的步进位移范围及步进次数，将粗聚焦最佳聚焦位置减去二分之一细聚焦的步进位移范围，获得新的初始位置，步进电机从该新的初始位置开始，每步进一次，记录步进电机当前的位置以及信号强度，并显示在动态记录窗口中。每次步进后，对记录的当前数据进行二次函数(y＝ax2+bx+c)拟合，若预设的步进位移范围内存在最大值，则停止精细聚焦步骤，否则再次步进数次，直至满足停止条件。选取精细聚焦二次拟合曲线中信号最大值对应的位置坐标，作为精细聚焦的最佳聚焦位置。S4将步进电机移至S3获得的最佳聚焦位置，即光斑的功率密度最大的地方，然后可以进行后续的测量工作。以上步骤可通过Labview程序实现，Labview程序带有自反馈机制，当温度发生变化时，程序首先进行自动聚焦，将光斑调至最佳状态，再进行后续测量，实现长时间测量的自动化调节功能。结合本实施例的数据，首先进行S1，步进电机从1800开始，以1800为步长，试测6个点，每个点所对应的信号强度逐渐减小，因此电机的位移方向应当反向，完成位移方向判断步骤。S1结束后进行粗聚焦过程，预设电机的步进位移范围为32400，步进次数为18次。步进电机从当前位置(10800)开始，仍以1800为步长，反向位移，测量至-21600。如图3(a)所示，每测一次均对数据进行二次拟合，在预设的位移范围内(-21600至10800)存在最大值，测量完18次，结束信号采集，得到信号最大对应的中心位置坐标为-5120.54。粗聚焦过程完成后，进行S3的细聚焦过程。首先预设细聚焦的步进位移范围为9000，步进次数为11次。将S2获得的中心位置减去4500，得到新的初始位置为-9620.54。为方便记录数据，将此位置平移至坐标系中的900处。步进电机从新的初始位置(900)开始，以粗聚焦的二分之一步长，即900，测量至9900，记录步进电机的位置和对应的信号强度。如图3(b)所示，每测一次均对数据进行二次拟合，在预设的位移范围内(900-9900)存在最大值，测量完11次，结束信号采集，最终可以得到信号最大的位置坐标为5179.2。最后，将步进电机移至信号最大处，即5179.2处，完成自动聚焦过程。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.时域热反射谱测量中的自动聚焦方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)利用步进电机控制显微镜头沿同一方向移动数次，同步记录电机每次行进一步所对应的光信号强度，根据信号强度的变化确定电机的步进方向；(2)将步进电机从当前位置开始沿步骤(1)确定的步进方向步进数次，每步进一次，记录步进电机的当前位置以及光信号强度的数据，并对获得的数据进行二次函数拟合，若拟合线存在信号强度最大值，且该最大值对应的电机位置在预设的步进位移范围内，则停止步进；然后将步进电机移到信号强度最大值所对应的位置坐标处，完成粗聚焦；(3)继续将步骤(2)的步进电机步进数次，每步进一次，记录步进电机的当前位置以及光信号强度的数据，并对获得的数据进行二次函数拟合，若拟合线存在信号强度最大值，且该最大值对应的电机位置在预设的步进位移范围内，则停止步进；然后将步进电机移到信号强度最大值所对应的位置坐标处，完成精细聚焦。

【技术特征摘要】
1.时域热反射谱测量中的自动聚焦方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)利用步进电机控制显微镜头沿同一方向移动数次，同步记录电机每次行进一步所对应的光信号强度，根据信号强度的变化确定电机的步进方向；(2)将步进电机从当前位置开始沿步骤(1)确定的步进方向步进数次，每步进一次，记录步进电机的当前位置以及光信号强度的数据，并对获得的数据进行二次函数拟合，若拟合线存在信号强度最大值，且该最大值对应的电机位置在预设的步进位移范围内，则停止步进；然后将步进电机移到信号强度最大值所对应的位置坐标处...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢明辉，潘佳慧，颜学俊，曾明超，冯元会，刘晓平，陈延峰，
申请(专利权)人：南京光声超构材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32