本技术涉及形貌测量，特别涉及形貌测量设备、形貌测量装置及测量方法。
背景技术：
1、为了获取物体的表面形貌，通常采用形貌测量系统对物体进行形貌测量。为达到高精度的精密测量，需要形貌测量系统支持测校和故障定位。传统的测校和故障定位方式为：在形貌测量系统中增加信号源和多个电子开关，导致成本增加、功耗增加、电路板面积增加。
技术实现思路
1、本技术实施例提供一种形貌测量设备、形貌测量装置及测量方法，用于解决现有技术中成本增加、功耗增加以及电路板面积增加的问题。
2、第一方面，本技术实施例提供一种形貌测量设备，包括：光电探测阵列、信号生成单元、多个光电检测单元以及处理单元；其中，所述信号生成单元与所述多个光电检测单元连接，所述信号生成单元用于：输出具有第一频率的第一电压信号；所述光电探测阵列包括多个光电转换单元，所述多个光电转换单元与所述多个光电检测单元一一对应连接；所述光电转换单元用于：接收光信号，并将接收到的光信号转换为初始电流信号后，输出给所述光电检测单元；所述多个光电检测单元分别与所述处理单元连接，所述多个光电检测单元中的任一个光电检测单元用于：根据所述第一电压信号和所述初始电流信号生成目标电压信号；所述处理单元用于：采集每一个所述光电检测单元对应的目标电压信号，并根据采集到的每一个所述光电检测单元对应的目标电压信号，确定待测量表面的形貌测量数据，以及确定每一个所述光电检测单元所在支路的工作状态。
3、基于上述实施例，通过向光电检测单元输入具有第一频率的第一电压信号，以及向光电检测单元输入初始电流信号，通过光电检测单元将接收到的初始电流信号和第一电压信号进行融合后转换为目标电压信号，则该目标电压信号与初始电流信号和第一电压信号均相关。处理单元可以对每一个光电检测单元对应的目标电压信号进行采集，采集到多个目标电压信号。由于目标电压信号与初始电流信号和第一电压信号均相关，处理单元通过对采集到的多个目标电压信号进行数据处理，实现形貌测量的数据计算过程，以及确定每一个光电检测单元所在支路的工作状态的工作过程，实现测校和故障定位的过程。
4、与现有技术中的形貌测量设备通过电子开关来实现2选1的方式不同，本技术实施例提供的形貌测量设备不用额外增加电子开关，即可实现形貌测量过程以及测校和故障定位过程，降低了成本、功耗和电路板面积。并且，由于不需要设置电子开关，则无需额外控制信号，减少了控制复杂度。以及，可在不中断形貌测量过程的情况下，即可实现对每一个光电检测单元所在支路进行在线故障诊断的过程。
5、并且，与现有技术中的方案只能利用半量程相比，本技术实施例提供的形貌测量设备，通过设置信号生成单元，可以增加一个偏压，从而使输出端增加了输出电压范围，能提高信噪比。
6、以及，与现有技术中的方案相比，本技术实施例提供的形貌测量设备，由于没有数字信号引入光电检测单元所在的模拟区域，保证了模拟区域的干净，减少噪声干扰。
7、在一些可能的实施方式中，所述信号生成单元包括：标准信号源和多个第一电阻；其中，所述标准信号源通过所述多个第一电阻与所述多个光电检测单元一一对应连接；所述标准信号源用于：输出具有所述第一频率的第二电压信号，所述第二电压信号经所述第一电阻分压后生成所述第一电压信号。
8、示例性地，信号生成单元可以输出多个不同频率的电压信号。在实际应用中，可以根据应用的需求，从这些频率中输出相应的频率对应的电压信号。例如，本技术中，可以使信号生成单元输出具有第一频率的第一电压信号。
9、在一些可能的实施方式中，可以通过设置标准信号源和多个第一电阻与光电检测单元的连接形式，实现第一电压信号的输出。例如，每一个所述光电检测单元的第一输入端与对应的所述光电转换单元连接，每一个所述光电检测单元的第二输入端与接地端连接；所述标准信号源通过所述第一电阻与对应的所述光电检测单元的第一输入端连接。
10、在一些可能的实施方式中，可以通过设置标准信号源和多个第一电阻与光电检测单元的连接形式，实现第一电压信号的输出。例如，每一个所述光电检测单元的第一输入端与对应的所述光电转换单元连接；所述标准信号源通过所述第一电阻与对应的所述光电检测单元的第二输入端连接。
11、在一些可能的实施方式中，为了测量光电检测单元所在支路的工作状态，所述目标电压信号为数字电压信号，所述处理单元进一步用于：多次采集每一个所述光电检测单元输出的所述目标电压信号，得到每一个所述光电检测单元对应的多个采样数据；将每一个所述光电检测单元对应的多个采样数据进行快速傅里叶变换，得到每一个所述光电检测单元对应所述第一频率的状态监测数据；在确定所述状态监测数据未处于监测阈值范围内时，确定所述状态监测数据对应的光电检测单元所在支路处于异常工作状态；在确定所述状态监测数据处于监测阈值范围内时，确定所述状态监测数据对应的光电检测单元所在支路处于正常工作状态。
12、在一些可能的实施方式中，任一个所述光电检测单元包括：电流电压转换电路和模数转换电路；所述光电转换单元依次通过所述电流电压转换电路和所述模数转换电路与所述处理单元连接。示例性地，电流电压转换电路例如包括跨阻放大电路，跨阻放大电路例如包括放大器和跨阻电阻。模数转换电路例如包括模数转换器。
13、通常通过fft处理分析，可以得到幅值和相位。本技术实施例中，状态监测数据可以包括幅值和/或相位。例如，状态监测数据包括幅值时，则监测阈值范围包括对应幅值的监测阈值范围。状态监测数据包括相位时，则监测阈值范围包括对应相位的监测阈值范围。
14、在一些可能的实施方式中，所述状态监测数据包括幅值；所述处理单元进一步用于：在确定所述幅值未处于所述监测阈值范围内时，确定所述幅值对应的光电检测单元中的电流电压转换电路处于异常工作状态；以及，在确定所述幅值处于所述监测阈值范围内时，确定所述幅值对应的光电检测单元中的电流电压转换电路处于正常工作状态。
15、在一些可能的实施方式中，所述状态监测数据包括相位；所述处理单元进一步用于：在确定所述相位未处于所述监测阈值范围内时，确定所述相位对应的光电检测单元连接的光电转换单元处于异常工作状态；以及，在确定所述相位处于所述监测阈值范围内时，确定所述相位对应的光电检测单元连接的光电转换单元处于正常工作状态。
16、在一些可能的实施方式中，可以通过设置监测阈值范围，以将确定出来的状态监测数据和监测阈值范围进行比对，从而根据比对的结果，确定出光电检测单元所在支路的工作状态。示例性地，监测阈值范围可以是预先确定的。或者，为了提高精准性，也可以跟随测量过程中得到的状态监测数据进行确定。例如，所述处理单元进一步用于：根据所述多个状态监测数据，确定平均值和标准差；根据所述平均值和所述标准差，将[μ-k*σ，μ+k*σ]，确定为所述监测阈值范围；其中，μ代表所述平均值，σ代表所述标准差，k为大于0的整数。
17、本技术对k的具体数值不作限定，其可以根据实际应用的需求确定其数值。示例性地，可以将k＝3，则监测阈值范围为[μ-3σ，μ+3σ]。
18、在一些可能的实施方式中，以两个光电转换单元为一组，将所述多个光电转换单元划分为n个单元组；所述n个单元组中的每一个单元组包括第一光电转换单元和第二光电转换单元。并且，本技术对确定平均值μ的具体过程不作限定。示例性地，所述处理单元进一步用于：采用如下公式，确定所述平均值μ；
19、
20、其中，qa_n代表所述n个单元组中第n个单元组内的第一光电转换单元连接的光电检测单元对应的状态监测数据，qb_n代表所述第n个单元组内的第二光电转换单元连接的光电检测单元对应的状态监测数据，n为大于0的整数，1≤n≤n。
21、在一些可能的实施方式中，本技术对确定标准差σ的具体过程不作限定。示例性地，所述处理单元进一步用于：采用如下公式，确定所述标准差σ；
22、
23、在一些可能的实施方式中，以两个光电转换单元为一组，将所述多个光电转换单元划分为n个单元组；所述n个单元组中的每一个单元组包括第一光电转换单元和第二光电转换单元；
24、所述处理单元进一步用于：根据采集到的目标电压信号，计算每一个所述单元组对应的中间电信号；根据每一个所述单元组对应的中间电信号，确定每一个所述单元组对应的初始测量数据；根据每一个所述单元组对应的初始测量数据，确定所述形貌测量数据。
25、第二方面，本技术实施例还提供了一种形貌测量装置，包括：反射棱镜、光栅阵列、以及包括如第一方面或第一方面的各种实施方式的形貌测量设备；其中，所述光栅阵列包括多个三角光栅；所述反射棱镜用于：将被测物体的待测量表面反射的光信号，反射到所述三角光栅中；所述三角光栅用于：将入射的光信号分成两个不同方向的光信号，并使所述两个不同方向的光信号分别入射到不同的光电转换单元中。
26、由于上述形貌测量设备的性能较好，因而，包括上述形貌测量设备的形貌测量装置的性能也较好。以及，该形貌测量装置解决问题的原理与前述形貌测量设备相似，因此该形貌测量装置的实施可以参照前述形貌测量设备的实施，重复之处不再赘述。
27、第三方面，本技术实施例还提供了一种基于形貌测量设备的测量方法。该测量方法可以包括：采集每一个所述形貌测量设备中的每一个光电检测单元对应的所述目标电压信号，根据采集到的每一个所述光电检测单元对应的目标电压信号，确定待测量表面的形貌测量数据，以及确定每一个所述光电检测单元所在支路的工作状态。
28、在一些可能的实施方式中，为了测量光电检测单元所在支路的工作状态，所述采集每一个所述形貌测量设备中的每一个光电检测单元对应的所述目标电压信号，可以包括：多次采集每一个所述光电检测单元输出的所述目标电压信号，得到每一个所述光电检测单元对应的多个采样数据。以及，所述确定每一个所述光电检测单元所在支路的工作状态，可以包括：将每一个所述光电检测单元对应的多个采样数据进行快速傅里叶变换，得到每一个所述光电检测单元对应所述第一频率的状态监测数据。其中，在确定所述状态监测数据未处于监测阈值范围内时，确定所述状态监测数据对应的光电检测单元所在支路处于正常工作状态。在确定所述状态监测数据处于监测阈值范围内时，确定所述状态监测数据对应的光电检测单元所在支路处于异常工作状态。
29、在一些可能的实施方式中，可以通过设置监测阈值范围，以将确定出来的状态监测数据和监测阈值范围进行比对，从而根据比对的结果，确定出光电检测单元所在支路的工作状态。示例性地，监测阈值范围可以是预先确定的。或者，为了提高精准性，也可以跟随测量过程中得到的状态监测数据进行确定。例如，测量方法还包括：根据所述多个状态监测数据，确定平均值和标准差。根据所述平均值和所述标准差，将[μ-k*σ，μ+k*σ]，确定为所述监测阈值范围。其中，μ代表所述平均值，σ代表所述标准差，k为大于0的整数。
30、在一些可能的实施方式中，所述状态监测数据包括幅值，监测阈值范围可以包括对应幅值的监测阈值范围。其中，在确定所述幅值未处于所述监测阈值范围内时，确定所述幅值对应的光电检测单元中的电流电压转换电路处于异常工作状态。在确定所述幅值处于所述监测阈值范围内时，确定所述幅值对应的光电检测单元中的电流电压转换电路处于正常工作状态。
31、在一些可能的实施方式中，所述状态监测数据包括相位，监测阈值范围可以包括对应相位的监测阈值范围。其中，在确定所述相位未处于所述监测阈值范围内时，确定所述相位对应的光电检测单元连接的光电转换单元处于异常工作状态。在确定所述相位处于所述监测阈值范围内时，确定所述相位对应的光电检测单元连接的光电转换单元处于正常工作状态。
1.一种形貌测量设备，其特征在于，包括：光电探测阵列、信号生成单元、多个光电检测单元以及处理单元；
2.如权利要求1所述的形貌测量设备，其特征在于，所述信号生成单元包括：标准信号源和多个第一电阻；其中，所述标准信号源通过所述多个第一电阻与所述多个光电检测单元一一对应连接；
3.如权利要求2所述的形貌测量设备，其特征在于，每一个所述光电检测单元的第一输入端与对应的所述光电转换单元连接，每一个所述光电检测单元的第二输入端与接地端连接；
4.如权利要求2所述的形貌测量设备，其特征在于，每一个所述光电检测单元的第一输入端与对应的所述光电转换单元连接；
5.如权利要求1-4任一项所述的形貌测量设备，其特征在于，所述目标电压信号为数字电压信号，所述处理单元进一步用于：
6.如权利要求5所述的形貌测量设备，其特征在于，任一个所述光电检测单元包括：电流电压转换电路和模数转换电路；所述光电转换单元依次通过所述电流电压转换电路和所述模数转换电路与所述处理单元连接；
7.如权利要求5或6所述的形貌测量设备，其特征在于，所述状态监测数据包括：相位；
8.如权利要求5-7任一项所述的形貌测量设备，其特征在于，所述处理单元进一步用于：
9.如权利要求8所述的形貌测量设备，其特征在于，以两个光电转换单元为一组，将所述多个光电转换单元划分为n个单元组；所述n个单元组中的每一个单元组包括第一光电转换单元和第二光电转换单元；
10.如权利要求8或9所述的形貌测量设备，其特征在于，所述处理单元进一步用于：采用如下公式，确定所述标准差σ；
11.如权利要求1-10任一项所述的形貌测量设备，其特征在于，以两个光电转换单元为一组，将所述多个光电转换单元划分为n个单元组；所述n个单元组中的每一个单元组包括第一光电转换单元和第二光电转换单元；
12.一种形貌测量装置，其特征在于，包括：反射棱镜、光栅阵列、以及如权利要求1-11任一项所述的形貌测量设备；其中，所述光栅阵列包括多个三角光栅；
13.一种基于形貌测量设备的测量方法，其特征在于，包括：
14.如权利要求13所述的测量方法，其特征在于，所述采集每一个所述形貌测量设备中的每一个光电检测单元对应的所述目标电压信号，包括：
15.如权利要求14所述的测量方法，其特征在于，还包括：
16.如权利要求14或15所述的测量方法，其特征在于，所述状态监测数据包括：幅值；
17.如权利要求13-16任一项所述的测量方法，其特征在于，所述状态监测数据包括：
