CN101625231B - 一种白光干涉光学轮廓仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种白光干涉光学轮廓仪，包括垂直方向宏微二级驱动及位移计量装置、白光干涉位移传感器和万能工作台。白光干涉位移传感器固定在驱动及位移计量装置上，驱动及位移计量装置固定在立柱上，立柱固定在隔振台面上；万能工作台放置在隔振台面上；本发明的基于白光干涉和垂直扫扫描技术的大量程三维光学轮廓测量仪由伺服电机和压电陶瓷分别实现粗精二级驱动，带动白光干涉位移传感器做整体运动，在垂直位移中加入伺服电机可以扩大测量范围，垂直扫描由压电陶瓷驱动实现。宏微位移由同一套衍射光栅计量系统进行位移计量。该轮廓仪可以自动找干涉条纹，实现大量程、非接触测量平面和曲面的三维轮廓，具有测量精度高、测量量程大、成本低等特点。

Description

一种白光干涉光学轮廓仪

技术领域

本发明属于测量装置技术领域，具体涉及一种基于白光干涉和垂直扫扫描技术的大量程三维表面形貌光学轮廓测量仪。

背景技术

表面三维微观形貌的测量方法有很多种，通常可分为接触式和非接触式两类。垂直扫描白光干涉测量法是在相移干涉法的基础上发展起来的一种光学非接触测量方法，结合了白光干涉显微技术和相移干涉技术。目前，基于垂直扫描白光干涉测量法的三维表面形貌测量系统主要有一下几种：

一，Linnik干涉显微结构的垂直扫描白光干涉显微测量仪([1]Pfortner A，Schwide J.Dispersion error in white-light Linnik interferometers and itsimplications for evaluation procedures[J].Appl.Opt，2001，40(34)：6223-6228)，该系统采用白炽灯或氙弧灯作光源，光线被分光镜分成两束，分别到达反光镜和被测表面，反射后按原路返回到分光镜，并到达CCD检测阵列。压电驱动器带动被测表面连续移动，改变被测光路和参考光路的光程差，使干涉条纹扫描过整个被测表面。由电路处理得到干涉相干项和自相关函数，从而得到干涉条纹的光强最大值所对应的表面高度信息。压电陶瓷驱动器的灵敏度高，重复性较好，但是位移量较小。Linnik干涉显微镜的分光系统在显微镜内部，可以使用低倍到高倍的各种大数值孔径显微物镜，有利于提高系统的分辨率，但需要两个匹配良好的物镜来消除球差和色差。此外，由于参考光路和测量光路是分离的并且比较长，因此对外界的振动干扰和气流的影响比较敏感，抗干扰性较差。

二，Mirau干涉显微镜的垂直扫描白光干涉显微测量仪([2]Groot，P，Lega XC.Signal modeling for low-coherece height-scanning interferencemicroscopy[J].Appl.Opt，2004，43(25)：4821-4830.)，在Mirau干涉显微镜结构中，参考镜被放在物镜和样板之间。基于Mirau干涉显微结构的测量系统是将驱动器连接到光学显微物镜，驱动器的运动改变测量臂和参考臂之间的光程差。驱动参考镜法的垂直驱动范围受到显微物镜的限制，不可能很大。与Linnik干涉显微镜相比，这种Mirau干涉显微镜减少了一个显微物镜，简化了结构，减小体积和重量，从而减轻了振动问题，但是因将参考镜放入物镜中，增加了物镜的制作难度，并且Mirau物镜的放大倍数和数值孔径有限，使用范围有所限制。美国VEECO公司和ZYGO公司的产品基本上都是采用驱动参考镜法。

现有的垂直扫描白光干涉轮廓仪多是采用压电陶瓷驱动物镜和电容传感器反馈控制位移量，垂直扫描范围不可能很大，一般约为0～500μm，多用于测量表面的微观形貌、微器件、台阶等。

三、华中科技大学开发研制的WIVS三维表面形貌测量仪([3]常素萍，谢铁邦.WIVS三维表面形貌测量仪，计量技术，2006，(12)：39～41)，以国产6JA干涉显微镜光路为基础，用压电陶瓷驱动垂直工作台带动试样作垂直扫描运动，使试样表面不同高度的各点依次通过零光程差的位置，用面阵CCD记录下各个位置的白光干涉条纹，经过计算处理后即可获得被测试样的表面三维形貌。该轮廓仪垂直扫描分辨力可达到1nm，但是该仪器具有放大倍数不可调，光路系统调节多，工件不能太重等缺点。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种白光干涉光学轮廓仪，该轮廓测量仪具有结构简单、测量范围大、测量精度高和成本低的特点。

本发明提供的白光干涉光学轮廓仪，包括垂直方向宏微二级驱动及位移计量装置和白光干涉位移传感器，其特征在于：白光干涉位移传感器固定在垂直方向宏微二级驱动及位移计量装置上，垂直方向宏微二级驱动及位移计量装置固定在立柱上，立柱固定在隔振台面上；万能工作台放置在隔振台面上；

万能工作台包括工作台底座、平衡弹簧、锁紧螺母、关节轴承、回转轴、旋转载物台、端盖、基座、钢球和直线电机；

基座固定在工作台底座上，回转轴的一端置于基座内孔中，另一端与旋转载物台固定连接，端盖、关节轴承和锁紧螺母自上至下依次安装在回转轴上；平衡弹簧一端与回转轴的底部连接，另一端安装在基座上；直线电机的驱动杆和平衡弹簧分别位于回转轴底部的两侧。

本发明的基于白光干涉和垂直扫扫描技术的大量程三维光学轮廓测量仪由伺服电机和压电陶瓷分别实现粗精二级驱动，带动白光干涉位移传感器做整体运动，在垂直位移中加入伺服电机可以扩大测量范围，垂直扫描由压电陶瓷驱动实现。宏微位移由同一套衍射光栅计量系统进行位移计量。该轮廓仪可以自动找干涉条纹，实现大量程、非接触测量平面和曲面的三维轮廓。该仪器整体结构设计不同于目前的白光干涉轮廓仪。该光学轮廓仪具有测量精度高、测量量程大、成本低等特点。该测量仪尤其适合于大范围、高精度、不连续表面(尤其是阶梯面)的测量。该光学轮廓仪垂直方向运动范围可以达到0～40mm、运动理论分辨率可达到0.5nm。计量系统理论分辨率可达到0.03nm。

附图说明

图1为本发明白光干涉光学轮廓仪的结构示意图；

图2为柔性铰链结构示意图；

图3为万能工作台的结构示意图；

图4为白光干涉位移传感器的光学原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供的光学轮廓仪主要包括垂直方向宏微二级驱动及位移计量装置、基于白光干涉原理的白光干涉位移传感器和万能工作台。垂直方向宏微二级驱动及位移计量装置固定在立柱上带动白光干涉位移传感器上下移动完成对工件的垂直扫描。垂直方向粗驱动同时具有自动调焦功能，电机带动白光干涉位移传感器上下移动，使测量物镜对焦。被测工件放置在万能工作台上，通过调整工作台的倾角可以调整干涉条纹的宽度。轮廓仪工作时，被测工件放置在万能工作台上，万能工作台放置在轮廓仪的隔振台面上。

如图1、图2所示，垂直方向宏微二级驱动及位移计量装置包括伺服电机10、电机连接板12、联轴器14、螺母18、柔性连接器19、滚珠丝杠20、第一连接块21、第一导轨22、第二导轨23、底板24、柔性铰链25、衍射光栅计量系统27、第三导轨28、压电陶瓷29和第四导轨31。

立柱26固定在隔振台面5上，底板24固定在立柱26上。电机连接板12固定在底板24的右下端，伺服电机10固定在电机连接板12的下部。伺服电机10的输出轴固定在联轴器14内的一端，滚珠丝杠20固定在联轴器24内的另一端，螺母18安装在滚珠丝杠20上，并且螺母18位于柔性连接器19内，第一连接块21的右端与柔性连接器19的左端部相连，第一连接块21的左端部连接在第二导轨23上。第一导轨22、第二导轨23、第三导轨28、第四导轨31分别固定在底板24的左右两侧，在第一导轨22、第二导轨23之间和第三导轨28、第四导轨31之间分别装有钢珠。柔性铰链25的两边分别固定在第二导轨23和第四导轨31上。第二、第三连接块52、53分别固定在底板24的左右两边，第一导轨22固定在连接块52内测、第四导轨31固定在连接块53内测。压电陶瓷29安装在柔性铰链25内。衍射光栅计量系统27安装在底板24的上端，光栅移动杆51安装在柔性铰链25动块的运动中心线上。

伺服电机10带动滚珠丝杠20转动，通过安装在滚珠丝杠20的螺母18带动柔性连接器19、第一连接块21上下移动，从而使由导轨23、31和柔性铰链25组成的工作滑台上下移动，实现垂直方向的粗驱动。压电陶瓷29驱动柔性铰链25机构实现垂直方向的纳米级精驱动。当伺服电机10或压电陶瓷29驱动工作滑台移动时，光栅移动杆51和工作滑台一起运动，工作滑台的移动量由衍射光栅计量系统27进行计量，送给计算机处理。

为加工方便，柔性铰链25可以选用叠层式平行平板柔性铰链。

衍射光栅计量系统27用来计量垂直方向宏微二级驱动的位移，该计量系统除了可以采用透射型单衍射光栅计量系统外，还可以采用反射型衍射光栅位移计量系统、双光栅位移计量系统、激光干涉式计量系统。

如图1、图2所示，白光干涉位移传感器固定在柔性铰链25的动块上。白光干涉位移传感器包括分光棱镜1、补偿镜2、物镜6、位移传感器框架7、物镜8、补偿镜9、传感器连接座11、反射镜调节杆13、反射镜座15、反射镜16、手轮17、CCD30、CCD连接座32、第一连接筒33、第二连接筒34、白光光源35、聚光镜36、聚光镜37、孔径光栏38、视场光栏39、照明物镜40。

白光光源35、聚光镜36、聚光镜37、孔径光栏38、视场光栏39、照明物镜40依次固定在连接筒34内，连接筒34安装照明物镜40的一端固定在位移传感器框架7的一侧，分光棱镜37和第一、第二光路补偿镜9、2均安装在内，连接筒34和第一光路补偿镜9分别位于分光棱镜1的两侧。参考显微物镜8安装在位移传感器框架7上第一光路补偿镜9的一侧。传感器连接座11固定在位移传感器框架7上参考显微物镜8的一侧的下部，反射镜调节杆13安装在连接座传感器连接座11上，反射镜座15安装在反射镜调节杆13内。支承轴54安装在反射镜座15内，反射镜16固定在支承轴54上。反射镜调节杆13伸缩可以带动反射镜座15左右移动，从而改变反射镜16的位置，使反射镜16在参考显微物镜8的焦点位置。反射镜座15在反射镜调节杆13内转动，可以调整反射镜16的倾角，从而改变干涉条纹的宽窄、方向。手轮17安装在支承轴54上，转动手轮17可以使反射镜16转动，改变反射镜16的反射率。第二光路补偿镜2安装在位移传感器框架7内，分光棱镜1的下面。测量显微物镜6、连接筒33分别固定在位移传感器框架7的另外两侧上，测量显微物镜6固定在第二光路补偿镜2的一侧。CCD连接座32固定在连接筒33上方，CCD30固定传感器连接座32。上述每一方向的光学元件的光轴均位于同一直线上。

如图4所示，白光干涉位移传感器的光学检测原理是：白光光源从聚光镜36、37投射到孔径光栏38上，经孔径光栏39，物镜40后，透射到分光棱镜1上，分光棱镜1把光线分成两束，一束光经补偿镜9和显微物镜8后射向反射镜16，反射镜16将光反射并沿原路返回；分光棱镜1射出的另一束光经补偿镜2和显微物镜6后射向被测工件3，被测工件3的反射光沿原路返回，在分光棱镜1的分光面与参考光束相遇，当两束光的光程相等时，发生干涉。

自动调焦装置与垂直方向粗驱动共用一套装置，进行测量前，首先由伺服电机驱动工作滑台带动白光干涉位移传感器上下移动，对测量物镜进行自动对焦，找到干涉条纹。

如图3所示，万能工作台4主要由工作台底座41、平衡弹簧42、锁紧螺母43、关节轴承44、回转轴45、旋转载物台46、端盖47、基座48和直线电机50组成。基座48固定在工作台底座41上，端盖47固定在基座48上，关节轴承44、回转轴45、平衡弹簧42等安装在基座48里。旋转载物台46安装在回转轴45上，旋转载物台46上方放置被测工件3。旋转载物台可以随回转轴45运动，关节轴承44安装在回转轴45上，端盖47安装在回转轴45上并且位于关节轴承44上的上方，锁紧螺母43安装在回转轴45上并且位于关节轴承44上的下方。端盖47和锁紧螺母43一起可以限制关节轴承44的上下运动。平衡弹簧42一端安装在回转轴45的底部，另一端安装在基座48上。直线电机及其驱动杆50安装在基座48的下部。为了提高回转轴45的转动精度，驱动杆50的端部安装钢球49，通过钢球49推动回转轴45移动，使关节轴承44绕其球心转动，带动旋转载物台46转过一定角度。平衡弹簧42可以使回转轴45复位。直线电机50的行程为25mm，关节轴承44的最大转角为35.5度。通过调整万能工作台的倾角可以调整干涉条纹的宽度。

仪器工作原理与工作过程：本轮廓仪利用白光干涉的零级条纹来指示零光程差的位置，从而获得各点的相对高度，进而重构出表面三维轮廓。伺服电机10、压电陶瓷29以纳米级等间距驱动工作滑台，工作滑台带动传感器作垂直扫描运动，使被测工件3表面不同高度的各点依次通过零光程差的位置，CCD30摄像机记录每一步移动的干涉图像，衍射光栅计量系统27精确记录每一步位移，经过计算机计算处理后即可获得被测工件3的表面三维形貌。在测量前，通过调整补偿镜2、9倾角可以使两路光程相等。另外，通过转动反射镜座15，可以调整反射镜16的倾角，从而调整参考光路的光程，改变干涉条纹的宽窄、方向。通过旋转手轮17可以改变反射镜的反射率。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种白光干涉光学轮廓仪，包括垂直方向宏微二级驱动及位移计量装置和白光干涉位移传感器，其特征在于：白光干涉位移传感器固定在垂直方向宏微二级驱动及位移计量装置上，垂直方向宏微二级驱动及位移计量装置固定在立柱(26)上，立柱(26)固定在隔振台面(5)上；万能工作台放置在隔振台面(5)上；

万能工作台(4)包括工作台底座(41)、平衡弹簧(42)、锁紧螺母(43)、关节轴承(44)、回转轴(45)、旋转载物台(46)、端盖(47)、基座(48)、钢球(49)和直线电机(50)；

基座(48)固定在工作台底座(41)上，回转轴(45)的一端置于基座(48)内孔中，另一端与旋转载物台(46)固定连接，端盖(47)、关节轴承(44)和锁紧螺母(43)自上至下依次安装在回转轴(45)上；平衡弹簧(42)一端与回转轴(45)的底部连接，另一端安装在基座(48)上；直线电机的驱动杆(50)和平衡弹簧(42)分别位于回转轴(45)底部的两侧。

2.根据权利要求1所述的白光干涉光学轮廓仪，其特征在于：垂直方向宏微二级驱动包括伺服电机(10)、电机连接板(12)、联轴器(14)、螺母(18)、柔性连接器(19)、滚珠丝杠(20)、第一连接块(21)、第一导轨(22)、第二导轨(23)、底板(24)、柔性铰链(25)、第三导轨(28)、压电陶瓷(29)、第四导轨(31)；位移计量装置包括衍射光栅计量系统(27)；

底板(24)固定在立柱(26)上；电机连接板(12)固定在底板(24)下端一侧，伺服电机(10)固定在电机连接板(12)的下部；伺服电机(10)的输出轴固定在联轴器(14)内的一端，滚珠丝杠(20)固定在联轴器(14)内的另一端；螺母(18)安装在滚珠丝杠(20)上，并且螺母(18)位于柔性连接器(19)内，第一连接块(21)的一端与柔性连接器(19)的一端部相连，第一连接块(21)的另一端部连接在第二导轨(23)上；

第一导轨(22)、第二导轨(23)、第三导轨(28)、第四导轨(31)分别固定在底板(24)的两侧，在第一导轨(22)、第二导轨(23)之间和第三导轨(28)、第四 导轨(31)之间分别装有钢珠；柔性铰链(25)的两边分别固定在第二导轨(23)和第四导轨(31)上；

第二、第三连接块(52、53)分别固定在底板(24)的两边，第一导轨(22)固定在第二连接块(52)内侧，第四导轨(31)固定在第三连接块(53)内侧；

压电陶瓷(29)安装在柔性铰链(25)内；衍射光栅计量系统(27)安装在底板(24)的上端，光栅移动杆(51)安装在柔性铰链(25)动块的运动中心线上；

所述白光干涉位移传感器固定在柔性铰链(25)的动块上。

3.根据权利要求1或2所述的白光干涉光学轮廓仪，其特征在于：

白光干涉位移传感器包括分光棱镜(1)、第二光路补偿镜(2)、测量显微物镜(6)、位移传感器框架(7)、参考显微物镜(8)、第一光路补偿镜(9)、传感器连接座(11)、反射镜调节杆(13)、反射镜座(15)、反射镜(16)、手轮(17)、CCD(30)、CCD连接座(32)、第一连接筒(33)、第二连接筒(34)、白光光源(35)、第一聚光镜(36)、第二聚光镜(37)、孔径光栏(38)、视场光栏(39)、照明物镜(40)；

白光光源(35)、第一聚光镜(36)、第二聚光镜(37)、孔径光栏(38)、视场光栏(39)、照明物镜(40)依次固定在第二连接筒(34)内，第二连接筒(34)安装照明物镜(40)的一端固定在位移传感器框架(7)的一侧，分光棱镜(1)和第一、第二光路补偿镜(9、2)均安装在内，第二连接筒(34)和第一光路补偿镜(9)分别位于分光棱镜(1)的两侧；参考显微物镜(8)安装在位移传感器框架(7)上第一光路补偿镜(9)的一侧；传感器连接座(11)固定在位移传感器框架(7)上参考显微物镜(8)的一侧的下部，反射镜调节杆(13)安装在传感器连接座(11)上，反射镜座(15)安装在反射镜调节杆(13)内；支承轴(54)安装在反射镜座(15)内，反射镜(16)固定在支承轴(54)上；反射镜调节杆(13)伸缩带动反射镜座(15)左右移动；反射镜座(15)安装在反射镜调节杆(13)内；手轮(17)安装在支承轴(54)上；第二光路补偿镜(2)安装在位移传感器框架(7)内，且位于分光棱镜(1)的下面；测量显微物镜(6)、第一连接筒(33)分别固定在位移传感器框架(7)的另外两侧上，测量显微物镜(6)固定在第二光路补偿镜(2)的一侧；CCD连接座(32)固定在第一连接筒(33)上方，CCD(30)固定CCD连接座(32)； 上述每一方向的光学元件的光轴位于同一直线上。

4.根据权利要求3所述的白光干涉光学轮廓仪，其特征在于：柔性铰链(25)为叠层式平行平板柔性铰链。

5.根据权利要求4所述的白光干涉光学轮廓仪，其特征在于：驱动杆(50)的端部安装有钢球(49)。 

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