CN100451538C - 基于宽带光干涉表面形貌测量方法及其测量仪 - Google Patents

基于宽带光干涉表面形貌测量方法及其测量仪 Download PDF

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Abstract

基于宽带光干涉表面形貌测量方法，采用宽带光干涉装置，将被测物放置在计量型垂直位移工作台上，计量型垂直位移工作台放置在共基面运动X-Y工作台上；利用宽带光干涉原理进行非接触式测量时，测量光照射被测物表面，由被测表面的反射光和参考光产生干涉条纹；利用宽带光干涉原理进行接触式测量时，在物镜下放置平面反射镜，平面反射镜随探针的上下移动而摆动，测量光照射平面反射镜，由平面反射镜的反射光和参考光产生干涉条纹。本测量方法及其测量仪具有大量程、高分辨率、可接触与非接触测量、速度快、性价比高的特点。本发明可对工程表面的形貌，包括形状、波度、表面粗糙度进行综合测量，可满足工程表面全范围的表面形状测量，同时对于MEMS的几何尺寸、形状、振动等均可实现非接触测量。

Description

基于宽带光干涉表面形貌测量方法及其测量仪
技术领域
本发明涉及一种基于宽带光干涉原理构成的表面形貌测量仪，其既可进行接触测量又可进行非接触测量。
背景技术
国内外对表面形貌的接触与非接触两用测量技术已用于商品化产品中，如英国的Talyscan150，国内在国家自然科学基金资助下研制的AFS-LIS型接触与非接触两用轮廓仪等，综观国内外研制的两用测量仪器，基本上是对两类不同测量原理的仪器进行拼凑。如Talyscan150是电感式轮廓仪和激光三角法测量仪的组合，而AFS-LIS是自聚焦测微仪和一个激光干涉测微仪的组合。其主要问题是：由于是用不同测量原理的传感器进行拼合而成，其资源共用程度不高，结构复杂，且测量效率和测量分辨率较低。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种基于宽带光干涉表面形貌测量方法及其测量仪，其既可进行接触测量又可进行非接触测量，接触与非接触两种测量方法均采用同一种测量原理。测量系统精度高，测量范围大，效率高，可共用资源多，功能强，有很高的性价比。
本发明提供的技术方案是：一种基于宽带光干涉表面形貌测量方法，采用宽带光干涉装置，将被测物放置在计量型垂直位移工作台上，计量型垂直位移工作台放置在共基面运动X-Y工作台上；利用宽带光干涉原理进行非接触式测量时，测量光照射被测物表面，由被测表面的反射光和参考光产生干涉条纹；利用宽带光干涉原理进行接触式测量时，在物镜下放置平面反射镜，平面反射镜随探针的上下移动而摆动，测量光照射平面反射镜，由平面反射镜的反射光和参考光产生干涉条纹。
一种基于宽带光干涉表面形貌测量仪，包括宽带光干涉装置，宽带光干涉装置位于计量型垂直位移工作台上方，计量型垂直位移工作台放置在共基面运动X-Y工作台上，其特征在于：宽带光干涉装置与计量型垂直位移工作台间设置一个探针组件，该组件包括探针组件移动机构、杠杆、平面反射镜和探针，杠杆的一端为平面反射镜，另一端为探针，杠杆的支架与探针组件移动机构连接。
上述非接触表面形貌测量系统包括宽带光干涉装置，进行垂直扫描的计量型垂直位移工作台。计量型垂直位移工作台分粗、精两极驱动，精驱动由压电陶瓷执行，粗驱动由斜面机构及伺服电机组成。计量型垂直位移工作台等间隔运动，宽带光干涉装置中的干涉条纹随之运动，CCD纪录每一步移动的干涉图像，计量型垂直位移工作台的计量衍射光栅测量系统记录每一步精确位移，对所有图像处理并叠加可得到表面三维图形。
上述接触式表面形貌测量系统包括宽带光干涉装置，探针组件，进行垂直扫描的计量型垂直位移工作台，共基面运动X-Y工作台。将探针组件的平面反射镜置于物镜下，由平面反射镜反射测量光，通过调整宽带光干涉装置获得一组稳定的干涉条纹，将探针组件的探针压在被测工件上，系统可实现两种不同测量范围和分辨率的接触式测量。对于峰谷最大差值小于5μm的表面轮廓，计量型垂直位移工作台不扫描。工件由共基面运动X-Y工作台移动，从而使宽带光干涉装置中的干涉条纹随之移动，通过CCD各像元可获取对应点的峰值，根据所有点的峰值可获取表面的三维形貌。对于峰谷最大差值大于5μm的表面轮廓，采用零位伺服跟踪的测量方法，即当工件应测定高度较大时，干涉条纹移出，计量型垂直位移工作台移动，将干涉图拉回原位，计量型垂直位移工作台记录下移动的高度值与探针记录的高度值之和，反映了工件高度的变动。
两种方法采用同一种原理，不同于以往该仪器采用不同测量原理的传感器进行拼凑的方法。本测量系统的特点是可供用资源多，功能强，测量效率高，接触与非接触测量的量程均可达10mm，并具有纳米级的垂直分辨率。本发明可对工程表面的形貌，包括形状、波度、表面粗糙度进行综和测量，可满足工程表面全范围的表面形状测量，同时对于MEMS的几何尺寸、形状、振动等均可实现非接触测量。
附图说明
图1，是本发明实施例的结构示意图。其中，CCD摄像机1，宽带光干涉装置2，可换镜头组3，物镜4，探针组件移动机构5，反射镜6，探针7，工件8，计量型垂直位移工作台9，计量衍射光栅10，压电陶瓷11、斜面机构12，共基面运动X-Y工作台13，计量衍射光栅信号处理系统14。
具体实施方式
附图1是本发明的实施方案结构图。包括由干涉显微系统构建的宽带光干涉装置2，与宽带光干涉装置2连接的CCD摄像机1和探针组件5、6、7；计量型垂直位移工作台9上放置被测工件8；计量衍射光栅测量系统由计量衍射光栅10和计量衍射光栅信号处理系统14组成，共基面运动X-Y工作台13保证工作台始终在工作台基面上运动。
宽带光干涉装置可以是Linnik干涉显微系统，Michelson干涉显微系统或Mirau干涉显微系统等测量系统。
探针组件移动机构5可以是平移机构，也可以是旋转机构，在本实施例中采用的是滚动的平移机构。
宽带光干涉装置2与计量型垂直位移工作台9构成表面形貌的非接触测量系统。由被测表面的反射光在宽带光干涉装置2中产生的一组宽带光干涉条纹，干涉条纹在等光程处光强最大，且呈正弦变化，其峰值对应表面凸峰。计量型垂直位移工作台9等间隔运动，干涉条纹随之运动，CCD摄像机1纪录每一步移动的干涉图像，计量衍射光栅测量系统10和14记录每一步精确位移。经过对所有图像的处理并叠加可得到表面三维图形。
计量衍射光栅测量系统10和14采用1200对线/mm的计量衍射光栅，经两次衍射，以及对信号20细分，可达5nm的分辨率。
计量型垂直位移工作台9分粗、精两级驱动。精驱动由压电陶瓷11执行，其设计行程为30μm；粗驱动由斜面机构12及伺服电机组成，斜面机构的斜面斜度为1∶10，丝杆螺距为1mm，伺服电机输出10000脉冲/转，则每步垂直位移量为10nm，行程设计为10mm。粗、精驱动的位移量均由计量衍射光栅测量系统10和14计量。
对于纳米级的表面，该系统同时可采用相移干涉法实现亚纳米级的测量分辨率。
为了适应不同加工表面、不同测量面积、不同横向分辨率的测量，可通过可换镜头组3更换不同数值孔径的镜头进行测量。
探针组件5、6、7与宽带光干涉装置2及计量型垂直位移工作台9构成表面形貌的接触测量系统。移动探针组件5、6、7，使杠杆后面的反射镜6置于物镜4之下，通过调整，由宽带光干涉装置2获得一组稳定的干涉条纹。将探针7压在被测工件8上，系统可实现两种不同测量范围和分辨率的接触式测量。
对于峰谷最大差值小于5μm的表面轮廓，计量型垂直位移工作台9不扫描。工件8由共基面运动X-Y工作台13移动。工件8表面轮廓的变化引起探针7的变化，从而使干涉条纹随之移动，通过CCD摄像机1的各像元可获取对应点的峰值，峰值移动对应表面轮廓的高度变化。峰值移动量所代表的工件高度的变化量，通过计量型垂直位移工作台9定标。根据工作表面所有点的干涉图峰值，可获取表面的三维形貌。
对于峰谷最大差值大于5μm的表面轮廓，采用零位伺服跟踪的测量方法，即当工件8对应测定高度较大，超过5μm时，干涉条纹移出视场，计量型垂直位移工作台9移动，将干涉图拉回原位。计量型垂直位移工作台9记录移动的高度值(大数)，与探针7记录的高度值(小数)之和，反映了工件8高度的变动。该方法可实现曲面、沟槽、轮廓尺寸、形状、波度、粗糙度的综合测量。

Claims (2)

1、一种基于宽带光干涉表面形貌测量方法，其特征在于：
采用宽带光干涉装置，将被测物放置在计量型垂直位移工作台上，计量型垂直位移工作台放置在共基面运动X-Y工作台上；
利用宽带光干涉原理进行非接触式测量时，测量光照射被测物表面，由被测表面的反射光和参考光产生干涉条纹；
利用宽带光干涉原理进行接触式测量时，在物镜下放置平面反射镜，平面反射镜随探针的上下移动而摆动，测量光照射平面反射镜，由平面反射镜的反射光和参考光产生干涉条纹。
2、一种基于宽带光干涉表面形貌测量仪，包括宽带光干涉装置，宽带光干涉装置位于计量型垂直位移工作台上方，计量型垂直位移工作台放置在共基面运动X-Y工作台上，其特征在于：宽带光干涉装置与计量型垂直位移工作台间设置一个探针组件，该组件包括探针组件移动机构、杠杆、平面反射镜和探针，杠杆的一端为平面反射镜，另一端为探针，杠杆的支架与探针组件移动机构连接。
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