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靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量技术

日期: 2022-01-17
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摘要:靶丸内表面轮廓是激光核聚变靶丸的关键参数,需要精密检测。本文首先分析了基于白光共焦光谱和精密气浮轴系的靶丸内表面轮廓测量基本原理,建立了靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量方法。此外,搭建了靶丸内表面轮廓测量实验装置,建立了基于靶丸光学图像的辅助调心方法,实现了靶丸内表面轮廓的精密测量,获得了准确的靶丸内表面轮廓曲线;最后,对测量结果的可靠性进行了实验验证和不确定度分析,结果表明,白光共焦光谱能实现靶丸内表面低阶轮廓的精密测量,其测量不确定度优于01μm


关键词:白光共焦光谱;内表面轮廓;靶丸;激光聚变

1     引言

在激光惯性约束聚变(ICF)实验中,靶丸内、外表面轮廓的非理想球形度偏差将会在靶丸内爆过程中造成瑞利-泰勒流体力学不稳定性的快速增长,降低压缩效率,甚至导致球壳破裂。因此,精密测量靶丸内、外表面圆周轮廓特征对理解激光核聚变靶丸内爆物理过程和改进靶丸制备工艺均有着十分重要的意义。为了检测靶丸的表面轮廓信息,国内外ICF研究机构建立了基于精密气浮轴系和原子力显微镜(AFM)的靶丸表面轮廓测量技术,实现了靶丸外表面轮廓的全表面检测,其测量不确定度可达到纳米量级。对于靶丸内表面轮廓的无损检测,目前常用的技术手段是X射线照相法。该方法利用靶丸X射线吸收强度在界面处不连续的特点,通过计算吸收强度曲线的亮度或二阶微分来确定各壳层的轮廓信息,其低阶圆周轮廓测量不确定度为03μm,不能完全满足靶物理实验对靶丸内表面圆周轮廓测量的精度需求。因此,如何实现靶丸内表面轮廓的高精度测量,目前还是一个亟待解决的技术难题。

近年来,共焦测量方法由于具有高精度的三维成像能力,已经广泛用于表面轮廓与三维精细结构的精密测量。本文通过分析白光共焦光谱的基本原理,建立了透明靶丸内表面圆周轮廓测量校准模型;同时,基于白光共焦光谱并结合精密旋转轴系,建立了靶丸内表面圆周轮廓精密测量系统和靶丸圆心精密定位方法,实现了透明靶丸内、外表面圆周轮廓的纳米级精度测量。

2     测量原理

1(a)是白光共焦光谱传感器的工作原理示意图,白光光源通过物镜组形成一系列连续的沿着光轴的单色光点像,分别对应λ1λn,每一种波长对应一个纵向位置。当待测样品置于测量范围内时,某一种特定的波长λM正好聚焦到样品表面的M点并被反射,反射光被分光镜反射后经针孔滤波,滤波后变为以λM为中心的窄带光信号(带宽为Δλ),被光谱仪接收。通过分析样品表面反射光的波长,可高精度地确定样品表面的纵向位置。将靶丸安装在精密气浮主轴前端,使白光共焦光谱传感器聚焦于靶丸赤道位置(白光共焦光谱聚焦光斑在数微米量级,靶丸表面的测量区域可近似为平面),由于靶丸内、外表面的反射,此时,反射光谱中将会出现两个峰值,根据这两个反射光谱的波长,可同时获得透明靶丸的内、外表面相对于传感器零点的高度数据。利用精密气浮轴系带动靶丸平稳旋转,同时采集靶丸各个位置的内、外表面轮廓高度数据,当气浮轴系旋转360°,即可获得靶丸的内、外表面圆周轮廓数据,对应位置内、外表面轮廓数据之差即为靶丸的壳层厚度。

当光线通过靶丸壳层时,由于光线的折射,靶丸内表面轮廓的直接测量数据不能表征其真实轮廓特征,为得到真实的内表面轮廓数据,需要对白光共焦光谱的直接测量数据进行修正。


靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量技术


靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量技术

1 (a)白光共焦光谱传感器的工作原理示意图和(b)透明样品下表面轮廓的测量原理

1(b)是透明样品下表面轮廓的白光共焦光谱测量原理示意图,图中,p1p2是样品上表面相对于传感器零点的位置,p3p4是样品下表面相对于传感器零点的位置。

利用白光共焦光谱测量靶丸壳层内表面轮廓数据时,其测量结果与白光共焦光谱传感器光线的入射角、靶丸壳层厚度、壳层材料折射率、靶丸内外表面轮廓的直接测量数据等因素紧密相关。

3     测量装置

利用精密气浮旋转轴系及白光共焦光谱传感器,搭建了透明靶丸内表面轮廓测量实验装置,该测量装置示意图如图2所示。该装置主要由精密气浮主轴、辅助轴系、白光共焦光谱仪、数据采集单元以及靶丸调心机构等几部分组成,其中,传感器采用法国STIL公司的白光共焦光谱仪,其测量范围为400μm,光斑尺寸为17μm。测量过程中,将靶丸放置于精密气浮旋转轴系上端的负压吸附吸嘴上,白光共焦光谱传感器垂直聚焦于靶丸表面赤道位置,通过控制软件使轴系旋转与光谱数据采集同步。在旋转轴系开始转动时同步采集靶丸内外表面的轮廓数据,旋转轴系旋转一周就可以得到靶丸赤道位置的圆周轮廓数据;利用辅助轴系可实现靶丸指定角度的翻转,从而实现靶丸不同位置的内表面轮廓测量。


靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量技术

2 白光共焦光谱轮廓检测系统

放置于旋转轴系吸嘴上的靶丸可能出现偏心,从而导致靶丸在旋转过程中内外表面超出有效量程范围,不能实现靶丸内表面圆周轮廓的测量,因此,在测量靶丸内表面轮廓之前,需要调整靶丸中心和旋转轴系中心的相对位置,使其尽可能重合。本文采用了图像辅助调心方法,其调心原理如图3所示


靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量技术

3 靶丸旋转调心原理图

通过公式,可求解靶丸旋转到某一位置时靶丸光学图像中心的位置坐标,将靶丸圆心调整到与回转中心重合;再将靶丸旋转到下一位置,调整靶丸光学图像中心与回转中心的相对位置,使二者重合;重复上述过程,若靶丸旋转一周,靶丸光学图像中心与回转中心均重合,则靶丸调心过程完成。该方法的调心精度与视频CCD的放大倍数及测量精度有关,本装置可实现小于10μm的调心精度。

4     测量结果与讨论

41靶丸内表面轮廓测量

利用上述测量方法和实验装置,对单层塑料靶丸的内、外表面轮廓进行了测量。图4是基于白光共焦光谱的靶丸外表面轮廓和校准后的内表面测量曲线,从图中可以看出,靶丸内、外表面低阶轮廓整体形状相似,局部轮廓存在一定的差异。从公式可知,靶丸内表面轮廓的校准与靶丸壳层折射率相关,而折射率可表示为入射光波长的函数,计算过程中,对于靶丸壳层,其折射率在可见光范围内的偏差较小,可取为15。此外,根据白光共焦光谱传感器的数值孔径和工作距离等参数,可计算出入射角约为28°。与外表面轮廓相比较,靶丸内表面轮廓的信噪比较差,分析认为,靶丸内表面的真实轮廓测量值与靶丸内、外表面的白光共焦光谱直接测量数据相关,其测量噪声是二者的综合效应,因此,其测量数据信噪比相对较差,这表明,利用白光共焦光谱方法,可实现靶丸低阶轮廓的测量,其高阶轮廓信息测量置信度相对较低。


靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量技术

4 靶丸内外表面轮廓的白光共焦光谱测量曲线

42内表面轮廓测量数据的可靠性验证

靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量技术


靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量技术

5 靶丸外表面轮廓(a)及其功率谱曲线(b)

采用对比测试方法,首先对基于白光共焦光谱技术的靶丸外表面轮廓测量精度进行了考核,图5(a)是靶丸外表面轮廓的原子力显微镜轮廓仪和白光共焦光谱轮廓仪的测量曲线。为了便于比较,将原子力显微镜轮廓仪的测量数据进行了偏移。从图中可以看出,二者的低阶轮廓整体相似,局部的轮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确测量圆周轮廓结果不一致;此外,白光共焦光谱的信噪比较原子力低,这表明白光共焦光谱适用于靶丸表面低阶的轮廓误差的测量。图5(b)是靶丸外表面轮廓原子力显微镜轮廓仪测量数据和白光共焦光谱轮廓仪测量数据的功率谱曲线,从图中可以看出,在模数低于100的功率谱范围内,两种方法的测量结果一致性较好,当模数大于100时,白光共焦光谱的测量数据大于原子力显微镜的测量数据,这也反应了白光共焦光谱仪在高频段测量数据信噪比相对较差的特点。由于光谱传感器Z向分辨率比原子力低一个量级,同时,受环境振动、光谱仪采样率及样品表面散射光等因素的影响,共焦光谱检测数据高频随机噪声可达100nm左右。对于ICF靶丸,模数大于100的表面粗糙度信息一般在数纳米至数十纳米量级,靶丸表面真实高频轮廓数据全部淹没在白光共焦光谱系统的随机噪声之中,故白光共焦光谱仪难以获得靶丸表面轮廓的高频信息。

为进一步验证内表面轮廓测量数据的可靠性,对单面具有正弦调制结构的薄膜样品进行了测试,该薄膜样品基底厚度约为10μm,正弦调制振幅约为05μm,波长约为50μm。图6(a)是正弦调制结构向上时利用白光共焦光谱对调制样品上表面轮廓的测量数据和拟合数据,从图中可以看出,测量数据与拟合数据一致性较好,其正弦调制振幅为434nm,波长为482μm;6(b)是正弦调制薄膜(正弦调制结构向上)上表面轮廓曲线和校准前后的下表面轮廓曲线,从图中可以看出,由于受上表面的影响,校准前下表面轮廓曲线呈现周期性的调制特征,其振幅分布与上表面相反,利用公式(3)进行校准后,下表面轮廓曲线可近似为一条直线。图7(a)是正弦调制薄膜(正弦调制结构向下)上表面轮廓曲线和校准前后的下表面轮廓曲线,从图中可以看出,上表面轮廓近似为一条直线,这与图6(b)中调制薄膜校准后的轮廓曲线是一致的,此外,由于受调制薄膜折射率的影响,图7(a)中调制薄膜下表面校准前后轮廓曲线的振幅明显不同;7(b)是调制薄膜下表面轮廓曲线(校准后)的测量数据和拟合数据,相对于图6(a)的测量结果,该测量数据与拟合数据的离散性相对增大,通过正弦拟合方法所获得的正弦调制振幅为439nm,波长为482μm。当调制样品分别向上、向下放置时,白光共焦光谱的测量结果波形整体一致性较好,二者波长一致,拟合振幅偏差为5nm。该测量结果表明,利用白光共焦光谱技术可实现样品内表面低阶轮廓的精确测量。

靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量技术


靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量技术

6 正弦调制样品向上时的上表面轮廓测量数据(a)和校准前后的下表面轮廓数据(b)

靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量技术


靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量技术

7 正弦调制样品向下时的上表面轮廓测量数据(a)和校准前后的下表面轮廓数据(b)

43测量不确定度分析

利用白光共焦光谱传感器测量靶丸内表面轮廓,其测量不确定度来源主要有靶丸内、外表面的白光共焦光谱仪直接测量误差、轴系的回转误差、装置的重复性测量误差以及校准模型的误差等。上述不确定度分量中,白光共焦光谱传感器的直接测量误差主要来源于光谱传感器的分辨率和线性误差,测量结果表明,本装置所采用的光谱传感器直接测量误差最大为39nm。气浮主轴系回转精度是保证整个系统测量精度的关键因素之一,其回转误差直接叠加到测量结果中。通过测试直径为2mm的标准Cr(BallTech公司,标称球形度偏差为76nm)的圆周轮廓,对模数大于100的圆周轮廓进行滤波并计算其最小二乘圆度,由于最小二乘圆度包括了标准球的圆度误差和轴系的回转误差,可通过和方根公式计算轴系回转精度的大小。实验结果表明,标准球的最小二乘圆度为88nm,由此可得本装置主轴的回转误差约为44nm。对靶丸内表面轮廓进行多次测量,由各测量值最小二乘圆度重复性评价系统的重复测量误差。10次测量结果的最小二乘圆度为:7.1587.1767.2437.1547.0967.1437.1037.1777.1337.155μm,计算可得该测量列的标准偏差,即系统重复性误差为41nm。校准模型的误差主要来源于折射率的近似和光线入射角的近似,数值计算结果表明,折射率近似导致的最大误差约为16nm,光线入射角近似导致的最大误差约为50nm,根据和方根计算公式,可得到校准模型的测量误差为52nm

1是基于白光共焦光谱的靶丸内表面轮廓测量不确定度分量表,根据和方根计算公式可得,白光共焦光谱测量靶丸内表面低阶轮廓(模数<100)的不确定度约为89nm

1 测量不确定度分量表

靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量技术


5     结论

本文通过分析光线经过靶丸壳层后的传播途径,建立了靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量校准模型;搭建了基于白光共焦光谱和精密气浮轴系的靶丸内表面轮廓测量实验装置,获得了靶丸内、外表面轮廓曲线。与原子力显微镜比对测试结果表明,白光共焦光谱技术可实现靶丸模数小于100的低阶轮廓的准确测量;不确定度分析结果表明,白光共焦光谱测量靶丸内表面轮廓的不确定度约为90nm。白光共焦光谱技术不仅是精密检测靶丸内表面轮廓的可行技术手段,还可广泛应用于各类透明薄膜材料和器件内表面及厚度的精密测量领域。

论文题目:靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量技术

作者:唐兴,王琦,马小军,高党忠,王宗伟,孟婕(中国工程物理研究院-激光聚变研究中心)


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    2022 - 12 - 05
    今天我们来讲一下电容式传感器的原理,首先什么是电容传感器呢?电容传感器主要是一种开关传感器,可以检测活动区附近的材料因为这些材料会影响电场。现在您可以通过一些简短的动画进行了解。电容式传感器的主要优势,他们完全不受材料的颜色,表面特性的影响。在某些条件下甚至可以透壁检测。并且对空气中的污染物不灵敏,例如灰尘,另外重要的一点是,他们工作是完全不受任何类型背景光的影响。那么在使用电容式传感器时应该考虑哪些方面呢?       首先要考虑的是所检测物体的湿度或者尺寸可能发生变化。还需要考虑一些典型的开关频率。当然您还需要关注激光位移传感器之间的距离。最重要的一点是激光位移传感器开关距离以及特定材料的绝缘常量。关于电容式传感器,我们还需要来了解哪些其他方面呢?它有三个主要的应用领域,首先是容量控制,这里可以看到一个简单的图片,也是包装行业的一个事例,图中的两个传感器底部和顶部各有一个。       可用于检测罐装高度的高位和低位,从而开始和停止估计流程,另外一个主要应用领域是内装物控制在这个图片里,你可以看到典型的就是检测牛奶或者一些食品的人,物体内部包装的产品的容量,检测各个包装中是否存在冲突,这里电容式传感器的用处是最后一个应用是主要应用在状态控制,图中的只是可以看到这里是通过太阳能行业的一个示例,来了解电...
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白光干涉测厚传感器在晶圆水膜厚度测量中的应用及操作步骤详解 2024 - 01 - 21 白光干涉测厚仪是一种非接触式测量设备,广泛应用于测量晶圆上液体薄膜的厚度。其原理基于分光干涉原理,通过利用反射光的光程差来测量被测物的厚度。白光干涉测厚仪工作原理是将宽谱光(白光)投射到待测薄膜表面上,并分析返回光的光谱。被测物的上下表面各形成一个反射,两个反射面之间的光程差会导致不同波长(颜色)的光互相增强或者抵消。通过详细分析返回光的光谱,可以得到被测物的厚度信息。白光干涉测厚仪在晶圆水膜厚度测量中具有以下优势:1. 测量范围广:能够测量几微米到1mm左右范围的厚度。2. 小光斑和高速测量:采用SLD(Superluminescent Diode)作为光源,具有小光斑和高速测量的特点,能够实现快速准确的测量。下面是使用白光干涉测厚仪测量晶圆上水膜厚度的详细步骤:1. 准备工作:确保待测晶圆样品表面清洁平整,无杂质和气泡。2. 参数设置:调整白光干测厚涉仪到合适的工作模式,并确定合适的测量参数和光学系统设置。根据具体要求选择光谱范围、采集速度等参数。3. 样品放置:将待测晶圆放置在白光干涉测厚仪的测量台上,并固定好位置,使其与光学系统保持稳定的接触。确保样品与测量台平行,并避免外界干扰因素。4. 启动测量:启动白光干涉测厚仪,开始测量水膜厚度。通过记录和分析返回光的光谱,可以得到晶圆上水膜的厚度信息。可以通过软件实时显示和记录数据。5. 连续监测:对于需要连续监测晶圆上水膜厚度变...
运用高精度激光位移传感器进行非接触测量工件倾斜度的应用与实践 2024 - 01 - 21 在制造业、航空航天、光学制造等行业中,准确地测量工件表面的平整度和倾斜度对于产品质量、设备性能和工程安全至关重要。为了适应这一需求,本文将详细介绍运用高精度激光位移传感器进行非接触测量工件倾斜度的具体操作步骤、应用领域以及如何通过实例演示其测量原理和效果。首先,测量设备的配置环节。需要准备3到5个高精度激光位移传感器,并配合用于数据分析处理的微机软件。在开始测量之前,传感器需要先行进行标定,以一个已知的标准平面作为参照进行校准,并让所有传感器的数值归零。这一步骤保证了测量过程的准确性,也为后续的数据分析奠定了基础。进行实测时,将待测工件放置在需要测量的表面上。根据物体表面的倾斜情况,每个传感器所显示的数值会出现差距。后续,我们可以通过微机软件读取这些二次数据,进行处理,从而精确地得出倾斜度和平整度等参数。值得注意的是,我们选择3-5个传感器进行测量的原因是,三个传感器可以保证确定一个平面的最少需求。在成本允许的情况下,增加到五个传感器进行多点测量,可以有效提高测量的准确性和稳定性。另外,在使用过程中,对传感器的同步性有很高的要求,尤其是采样速度。最好达到5k以上,以便实时调整待测表面,使得调整结果更精准,并且满足实时性的需求。当然,高精度激光位移传感器的应用领域非常广泛。在制造业,尤其是汽车制造业和机械加工行业中,通过测量工件表面的倾斜度和平整度,可以有效进行质量控制和生产过程优化...
高精度激光位移传感器在桥梁结构监控中的关键应用 2024 - 01 - 21 保障桥梁的安全运行与结构稳定性是城市交通安全的重要链接,而高精度激光位移传感器正是完成此项任务的关键装备之一。在桥梁结构监测中,它们凭借其非接触式高精度测量原理,对桥梁的位移、变形、振动等关键参数进行实时监测,为桥梁健康管理提供重要依据。首先,在桥梁的挠度和变形监测中,激光位移传感器扮演着非常重要的角色。通过将传感器安装在结构的关键位置,可以实时地观察并记录桥梁的挠度、沉降和扭曲等变化情况,这些数据能够提供对桥梁健康状况的即时反馈,帮助维修人员及时发现并对异常变形现象进行处理。其次,激光位移传感器还能作为振动监测工具,为桥梁的刚度和自然频率评估提供重要依据。该传感器通过测量桥梁的振频、振型和振幅等参数,可以生成宝贵的结构振动数据。在桥梁出现异常振动现象时,它们可以实时检测并发出预警信号,为桥梁维护人员提供对策指引,确保桥梁的安全使用。最后,激光位移传感器在桥梁结构损伤检测与诊断中也展现出重要的价值。通过对激光位移传感器采集到的振动信号进行分析,可以提取出桥梁的频率响应函数和模态特征等关键信息。进一步地,这些特征可以与桥梁设计时的标准特征进行对比,以检测桥梁是否存在损伤或疲劳等问题。这也使得激光位移传感器能够在桥梁微小的结构变化初始阶段就进行预警和诊断,从而帮助维护人员采取及时的维修或加固措施,有效延长桥梁的使用寿命。总体来看,高精度激光位移传感器在桥梁结构监控中起关键作用。无论是挠...
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