CN102620690A - 一种多探针平面度检测仪及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多探针平面度检测仪及其相应的检测方法，该检测仪包括测量探针阵列、测量物镜、干涉显微镜、CCD成像装置、垂直扫描工作台和水平工作台，其中干涉显微镜和CCD成像装置设置在垂直扫描工作台上，分别用于形成光的干涉条纹和干涉条纹的成像；测量探针阵列包括多个探针，这些探针各自的前端具有探针针尖，后端具有平面反射镜；测量物镜固定安装在干涉显微镜下部并处于探针平面反射镜上方，用于对光线进行汇聚；水平工作台设置在测量探针阵列下方用于放置被测样品。按照本发明，能够实现多探针同时测量，充分利用光干涉的高精度特性并有效避免测量时被测表面材料光学性能的影响，相应能够实现结构简单、测量精度高和成本低的效果。

Description

一种多探针平面度检测仪及其检测方法

技术领域

本发明属于平面度检测技术领域，更具体地，涉及一种基于光干涉原理的多探针平面度检测仪及其相应的平面度检测方法。

背景技术

平面度检测是高质量平面加工过程中的一个重要环节。对于大型零件而言，其平面度检测方法一般包括电子水平仪-跨桥法、三点支撑法和三坐标测量法等几种基本形式。这几种方法的分辨率一般只有微米级，可以满足大型零件的检测要求。但是随着超精密加工技术的发展，对较小零件的平面(如被检平面只有几十毫米乘以几十毫米)，其平面度检测要求比上述大型零件的检测要求更高。因此，必须采用不同的方法来检测。

由于光学测量具有非接触、无损伤和测试精度高等特点，因此可将其应用于平面度的检测。光学检测法主要包括激光散射法、散斑法、相移干涉法等。相比激光散射法和散斑法，相移干涉法的检测精度要高得多，因此相移干涉法多应用于对平面度检测具有更高要求的领域。

中国发明专利文献CN102109331A利用激光束和位置传感器来检测平面度，解决了大平面、圆环和非连续平面的平面度测量问题。但是，该文献所介绍方法的精度只有微米级，没有充分利用激光的干涉原理来提高测量精度，因此也不适用于较小平面的高精度平面度检测要求。此外，若被测表面的反射性较差，或者被测表面的材料特性未知，将会导致难以确定的光波波长损失，采用光学检测法实施非接触测量时将会得到不准确的测量结果。

中国发明专利文献CN101055172A提供了一种体积较小，结构简单的平面度及平行度测试系统，可解决上述因非接触带来的测量不确定性问题。但是，由于此文献中所采用的检测传感器为千分表，其测量精度也只有微米级，同样也不适用于较小平面的高精度平面度检测要求。

因此，现有的平面度检测仪器主要存在两个方面的问题：(1)一般的测量方法检测精度低，不能满足高精度表面平面度的测量；(2)精度高的测量方法的检测精度受到被测表面材料的光学性能的影响，若被测表面材料未知，则难以实现高精度表面平面度的测量。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于光干涉原理的超精密多探针平面度检测仪及其相应的检测方法，其具有结构简单、能多探针同时测量，充分利用光干涉的高精度特性并能有效避免非接触测量受限于被测表面材料的光学性能的影响，以及测量精度高和成本低的特点。

按照本发明的一个方面，提供了一种多探针平面度检测仪，该检测仪包括测量探针阵列、测量物镜、干涉显微镜、CCD成像装置、垂直扫描工作台和水平工作台，其特征在于：

所述干涉显微镜和CCD成像装置通过连接套筒固定在所述垂直扫描工作台上并随着垂直扫描工作台的上下移动而移动，其中干涉显微镜处于连接套筒的下部用于形成光的干涉条纹以便对被测样品的平面度执行检测，CCD成像装置处于连接套筒的上部用于对所产生的干涉条纹进行成像显示；

所述测量探针阵列包括多个探针，这些探针安装在同一支撑轴上并可绕着支撑轴转动，各个探针的前端具有用于与被测样品表面相接触的探针针尖，后端具有平面反射镜；

所述测量物镜固定安装在所述干涉显微镜的下部并处于所述测量探针后端的平面反射镜上方，用于对来自干涉显微镜的光或由所述平面反射镜反射的光进行汇聚；

所述水平工作台设置在所述测量探针阵列下方，用于放置被测样品。

通过按照本发明的多探针平面度检测仪，由于采用干涉显微镜基于光的干涉原理来形成干涉条纹，并通过该干涉条纹来计算平面度，因此可实现对被测样品表面微小高度差的精确测量。此外，由于采用了安装在同一支撑轴上的多个探针同时来对被测样品表面进行探测，这样从干涉显微镜发出的光会被多个探针的后端各自具备的平面反射镜共同反射，由测量物镜会聚后返回干涉显微镜内并同干涉显微镜内固有的分光镜所分出的一部分光所汇聚，由此形成了多个能够反映被测样品表面状况的干涉条纹，相应地，一方面可较大幅度地提高测量精度，另一方面能够尽可能避免部分探针受到被测样品表面光学性能的不利影响，由此减少测量误差的产生。

作为进一步优选地，所述测量探针阵列包括九个探针，这九个探针在其中部依次以相等间距安装在所述支撑轴上，各个探针后端的平面反射镜到支撑轴的距离相等，并且各个探针前端的针尖在水平面上的投影形成三行乘三列的均匀分布阵列。

通过将测量探针阵列设置为包括九个探针的阵列式分布而且各个探针后端的平面反射镜到支撑轴的距离相等，可以通过调节垂直扫描工作台以在CCD成像装置中形成九簇清晰的干涉条纹，并通过这些干涉条纹之间的间距改变而获得更为精确的平面度测量数值；此外，相等间距并以阵列式分布的探针使得它们与被测样品表面之间的接触点保持为均匀分布，这样在提供均匀分布的干涉条纹的同时还便于执行对所获得干涉条纹的取样和评定，从而进一步提高测量精度。

作为进一步优选地，对于所述探针针尖在水平面上所形成的三行乘三列的均匀分布阵列，该阵列的间距为10mm～25mm。

通过对各个探针针尖在水平面上所形成的分布阵列的间距进行以上具体限定，一方面能够保证各个探针针尖之间不相互发生安装干涉，另一方面便于确保检测过程中各个针尖同时与被测样品表面相接触，由此进一步提高平面度检测的精度。

作为进一步优选地，所述干涉显微镜包括光源、分光镜、参考物镜和反射镜，其中光源用于产生和发射光，分光镜用于将光源所发出的光分成两束即射向所述测量物镜的光束和射向参考物镜的光束，所述参考物镜用于对经过分光镜分光后射来的光束进行汇聚，所述反射镜用于将经过参考物镜会聚后的光束执行反射，从而与射向测量物镜并由探针后端的平面反射镜所反射返回的光束相汇聚由此产生干涉条纹。

按照以上构思的干涉显微镜结构，能够以简单的结构实现对检测光线的分光、汇聚和干涉条纹的产生，并被CCD成像装置所接收，由此能充分利用光干涉的高精度特性来实现对样品平面度的检测。

作为进一步优选地，所述干涉显微镜的光源所发出的是白光或激光。

由于采用白光或激光作为光源来实现光的干涉，CCD成像装置所接收的信号为白光或激光干涉条纹，这样可以通过简单的光源形式即可执行平面度检测，并便于操作及更换光源。

作为进一步优选地，所述水平工作台包括设置在工作台面一侧的一个固定支承和设置在工作台面另外一侧的两个可调支承，并具有用于使水平工作台整体沿着X轴方向移动的X向移动调节装置和用于使水平工作台整体沿着Y轴方向移动的Y向移动调节装置。

通过对水平工作台设置以上的支承结构，可以在测量进行之前，通过调节可调支承及其与固定支承之间的配合来确保被测样品水平地处于工作台上以备测量，由此可充分利用白光干涉测量方法的高分辨率，并减少垂直工作台垂直扫描的行程；此外，由于水平工作台配置有X、Y轴两个方向的移动调节装置，这样可以便利地移动及调节水平工作台及工作台面上的被测样品，由此使探针与被测样品的不同区域相接触并得出平面度相关信息。

作为进一步优选地，所述多探针平面度检测仪还包括分别与所述垂直扫描工作台和CCD成像装置相连的计算机测控系统，该计算机测控系统用于控制所述垂直扫描工作台的上下移动，并对所述CCD成像装置形成干涉条纹予以显示输出及通过后置处理计算出对应的平面度。

通过对按照本发明的多探针平面度检测仪配置计算机测控系统，可实现对整个平面度检测过程的自动化操作，并便于根据干涉条纹来快速计算及输出有关被测样品的平面度数据，由此提高工作效率。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的平面度检测方法，该方法包括下列步骤：

在执行平面度检测之前，先以一块标准平面度的表面作为测量对象，对各个探针所形成干涉条纹的相对距离进行预标定；

将被测样品放置在水平工作台上，并使得测量探针阵列各个探针的探针针尖保持与被测样品表面相接触，接着通过调节可调支承并配合电感测微表来调节被测表面，由此使得被测表面在电感测微表的测量分辨率范围内保持水平；

通过驱动垂直工作台，使得CCD成像装置中出现九簇干涉条纹，然后从中选择一簇干涉条纹作为基准条纹，并依据其他干涉条纹与该基准条纹之间的相对距离，获得与被测表面平面度相关的测量数据；

对所获得的测量数据进行后置评定处理，计算得出被测样品的平面度，由此完成整个平面度检测过程。

作为进一步优选地，采用三角形准则或交叉准则来执行所述后置评定处理过程。

总体而言，按照本发明的多探针平面度检测仪及其相应的检测方法，由于以多探针同时测量，能够充分利用光干涉的高精度特性以更高的测量精度测量较小表面的平面度，并有效避免非接触测量受限于被测表面材料的光学性能的影响；此外通过对探针设置方式、间距等参数及其他组件结构的设置，可以以简单结构来实现检测分辨率达到纳米级的平面度检测，并能实现自动化显示及计算、降低测量误差和便于操作等方面的效果。

附图说明

图1为按照本发明的多探针平面度检测仪的整体结构示意图；

图2为图1中所示干涉显微镜的结构示意图；

图3为按照本发明由九根探针组成的测量探针阵列的结构示意图；

图4为图3中探针阵列尾部反射镜部分的局部放大示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用于表示相同的元件或结构，其中：

1测量探针阵列2测量物镜3干涉显微镜4连接套筒5CCD成像装置6垂直扫描工作台7电机8计算机测控系统9被测样品10水平工作台11固定支承12Y向移动调节装置13可调支承14X向移动调节装置15支撑轴16光源17聚光物镜18孔径光阑19视场光阑20照明物镜21放大镜22分光镜23补偿板24参考物镜25反射镜

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为按照本发明的多探针平面度检测仪的整体结构示意图。如图1所示，按照本发明一个优选实施例的平面度检测仪包括：测量探针阵列1、测量物镜2、干涉显微镜3、CCD成像装置5、垂直扫描工作台6，以及水平工作台10等部件。连接套筒4的背面可以固定在垂直扫描工作台6的可动部分上，该可动部分与电机7相连，由此实现垂直扫描工作台6在垂直方向上的上下移动。干涉显微镜3和CCD成像装置5通过连接套筒4分别固定在垂直扫描工作台6的下部和上部，并随着垂直扫描工作台6的上下移动而移动。干涉显微镜3的结构组成具体如图2所示，其作用在于发出光并经过光的分光及传递后形成光的干涉条纹，并根据干涉条纹来实现对被测样品的平面度检测。CCD成像装置5则用于对所产生的干涉条纹进行成像显示。

测量探针阵列1安装在同一个支撑轴15上，并可绕支撑轴15转动。测量探针阵列1包括有多个探针，其中各个探针在其前端分别具有用于与被测样品表面相接触的探针针尖，并在其后端分别装置有一块微型平面反射镜用于对入射光进行反射。所有平面反射镜均处于测量物镜2的视场范围之内。当来自干涉显微镜3的入射光射向平面反射镜时，固定安装在干涉显微镜3下部的测量物镜2首先对光进行汇聚，然后射向各个探针后端的平面反射镜，各个平面反射镜对光进行反射并由测量物镜2再次汇聚，然后返回至干涉显微镜3内部。

在测量探针阵列1的下方，设置有用于放置被测样品的水平工作台10。在一个优选实施例中，水平工作台10包括设置在其工作台面一侧的一个固定支承11和设置在其工作台面另外一侧的两个可调支承13。由于三点可以确定一个平面，通过对水平工作台10设置以上的支承结构，可以在测量进行之前，通过调节可调支承13及其与固定支承11之间的配合来确保被测样品水平地处于工作台上以便进行测量，由此可充分利用白光干涉测量方法的高分辨率，并减少垂直工作台垂直扫描的行程。此外，水平工作台10还可以具有用于使其整体沿着X轴方向移动的X向移动调节装置14和用于使其整体沿着Y轴方向移动的Y向移动调节装置12，在图1中，这些移动调节装置可以分别譬如是设置在水平工作台侧面上的微动旋钮，这样可以便利地移动及调节水平工作台及工作台面上的被测样品，由此使探针与被测样品的不同区域相接触并得出平面度相关信息。

作为选择，还可以将垂直扫描工作台6和CCD成像装置5分别通过如图1中所示的线路与计算机测控系统8相连，计算机测控系统8用于控制垂直扫描工作台6的上下移动，并对CCD成像装置5所形成的干涉条纹予以显示输出，以及通过后置评定处理计算出对应的平面度等。由此，可实现对整个平面度检测过程的自动化操作，并便于根据干涉条纹来直接计算输出有关被测样品的平面度数据，提高工作效率。

图2为图1中所示干涉显微镜的结构示意图。如图2中所示，干涉显微镜3的基本内部结构包括光源16、分光镜22、参考物镜24和反射镜25，同时可以具有其他一些辅助构件，其中光源16用于产生和发射譬如白光或激光的光，分光镜22用于将光源16所发出的光分成两束，也即射向测量物镜2的光束和射向参考物镜24的光束，参考物镜24用于对经过分光镜22分光后射来的光束进行汇聚，反射镜25用于将经过参考物镜24会聚后的光束执行反射，从而与射向测量物镜2并由测量探针阵列1的各个探针后端的平面反射镜所反射返回的光束相汇聚由此产生干涉条纹。干涉显微镜3的具体成像过程为：光源16发射的白光投射到聚光物镜17上，通过孔径光阑18、视场光阑19和照明物镜20，投射到分光镜22的前端面，经过折射后入射到分光镜22的后端面；入射到分光镜22后端面的光线的一部分被反射到达分光镜22前端面并发生折射，经过测量物镜2会聚到测量探针阵列1后端的反射镜上并被反射，然后再次穿过测量物镜2、分光板22；另一部分光线则通过补偿板23、参考物镜24投射到反射镜25上并被反射回来，再次通过参考物镜24、补偿板14，投射到分光板22后端面上并被反射，并与从测量光路反射的光发生干涉，由此产生干涉条纹。这些干涉条纹经放大镜21放大后，在CCD成像装置5上得以成像显示。

图3为按照本发明由九根探针组成的测量探针阵列的结构示意图，图4为图3中探针阵列尾部反射镜部分的局部放大示意图。如图3和图4中所示，在一个优选实施例中，测量探针阵列1可以由九根探针组成，各探针均可绕共同主轴即支撑轴15转动，每根探针的后端部放置有一个微型平面反射镜，其前端具有探针针尖部分。这九个探针在其中部依次以相等间距10安装在支撑轴15上，各个探针后端的平面反射镜到支撑轴15的距离相等均为11+12，13为中间三根短探针针尖到支承轴15的距离。探针阵列1后端成辐射状汇聚到测量物镜2的测量视场范围内，并且各个探针前端的针尖在水平面上的投影形成三行乘三列的均匀分布阵列。通过将测量探针阵列按照以上方式设置，可以通过调节垂直扫描工作台6以在CCD成像装置5中形成九簇清晰的干涉条纹，并通过这些干涉条纹之间的间距改变而获得精确的平面度测量数值；此外，均匀阵列式分布的探针使得它们与被测样品表面之间的接触点保持为均匀分布，这样在提供均匀分布的干涉条纹的同时还便于执行对所获得干涉条纹的取样和评定，从而进一步提高测量精度。

在一个优选实施例中，测量探针阵列1的各个探针在其中部依次譬如以7.5mm的间距安装在支撑轴15上，并且各个探针后端的平面反射镜到支撑轴15的距离均为60mm。此外，九个探针针尖在水平面上所形成的三行乘三列的均匀分布阵列的间距可以限定为10mm～25mm，这样一方面能够保证各个探针针尖之间不相互发生安装干涉，另一方面便于确保检测过程中各个针尖同时与被测样品表面相接触，由此进一步提高平面度检测的精度。

按照本发明的平面度检测仪的测量原理及过程是：干涉显微镜4内部的光源所发出的光例如白光经过分光后，一部分经过测量物镜2会聚到探针阵列1尾部的九个反射镜上并被反射，进入干涉显微镜3内部；另一部分通过干涉显微镜3内部的参考物镜24投射到反射镜25上并被反射回干涉显微镜3内部，与由探针阵列1尾部的九个反射镜反射的白光汇聚，其中每个反射镜反射的光均形成一簇干涉条纹，即产生九簇白光干涉条纹。干涉条纹经干涉显微镜3内部放大镜放大后，在CCD成像装置5成像平面上成像。由于探针阵列1的针尖放置在不同的被测表面上，当被测样品的表面存在不平整情况时，会引起针后端的反射镜沿着测量物镜2光轴轴线方向的移动，由此改变测量光路的光程，并相应导致白光干涉条纹产生移动。这样，可以以其中一根探针所引起的干涉条纹作为基准条纹，对其他八根探针所引起的白光干涉条纹在CCD成像装置成像平面上对此基准条纹的相对移动量进行计量，即可获得被测表面上的平面度测量数据。

下面将具体描述利用按照本发明的检测仪来执行平面度检测的方法：首先，在执行平面度检测之前，先以一块标准的高精度平面度表面也即理想平面度的表面作为测量对象，对各个探针所形成干涉条纹的相对距离进行预标定；然后将被测样品放置在水平工作台上，使得测量探针阵列各个探针的探针针尖保持与被测样品表面相接触，通过调节可调支承并配合电感测微表来调节被测表面，由此使得被测表面在电感测微表的测量分辨率范围内保持水平；接着，可以通过驱动垂直工作台，使得CCD成像装置中出现九簇干涉条纹，从中选择一簇干涉条纹作为基准条纹，并依据其他干涉条纹与该基准条纹之间的相对距离，由此获得与被测表面平面度相关的测量数据；最后，对所获得的测量数据进行譬如三角形准则或交叉准则等这些平面度误差评定方法来执行后置处理，计算得出被测样品的平面度，由此完成整个平面度检测过程。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多探针平面度检测仪，该检测仪包括测量探针阵列(1)、测量物镜(2)、干涉显微镜(3)、CCD成像装置(5)、垂直扫描工作台(6)和水平工作台(10)，其中：

所述干涉显微镜(3)和CCD成像装置(5)通过连接套筒(4)固定在所述垂直扫描工作台(6)上并随着垂直扫描工作台(6)的上下移动而移动，其中干涉显微镜(3)处于连接套筒(4)的下部用于形成光的干涉条纹以便对被测样品的平面度执行检测，CCD成像装置(5)处于连接套筒(4)的上部用于对所产生的干涉条纹进行成像显示；

所述测量探针阵列(1)包括多个探针，这些探针安装在同一支撑轴上并可绕着支撑轴转动，各个探针的前端具有用于与被测样品表面相接触的探针针尖，后端具有平面反射镜；

所述测量物镜(2)固定安装在所述干涉显微镜(3)的下部并处于所述测量探针后端的平面反射镜上方，用于对来自干涉显微镜(3)的光或由所述平面反射镜反射的光进行汇聚；

所述水平工作台(10)设置在所述测量探针阵列(1)下方，用于放置被测样品。

2.如权利要求1所述的多探针平面度检测仪，其特征在于，所述测量探针阵列(1)包括九个探针，这九个探针在其中部依次以相等间距安装在所述支撑轴上，各个探针后端的平面反射镜到支撑轴的距离相等，并且各个探针前端的针尖在水平面上的投影形成三行乘三列的均匀分布阵列。

3.如权利要求2所述的多探针平面度检测仪，其特征在于，对于所述探针针尖在水平面上所形成的三行乘三列的均匀分布阵列，该阵列的间距为10mm～25mm。

4.如权利要求1-3任意一项所述的多探针平面度检测仪，其特征在于，所述干涉显微镜(3)包括光源(16)、分光镜(22)、参考物镜(24)和反射镜(25)，其中光源(16)用于产生和发射光，分光镜(22)用于将光源(16)所发出的光分成两束即射向所述测量物镜(2)的光束和射向参考物镜(24)的光束，所述参考物镜(24)用于对经过分光镜(22)分光后射来的光束进行汇聚，所述反射镜(25)用于将经过参考物镜(24)会聚后的光束执行反射，从而与射向测量物镜(2)并由探针后端的平面反射镜所反射返回的光束相汇聚由此产生干涉条纹。

5.如权利要求1-4任意一项所述的多探针平面度检测仪，其特征在于，所述干涉显微镜(3)的光源(16)所发出的例如是白光或激光。

6.如权利要求1-5任意一项所述的多探针平面度检测仪，其特征在于，所述水平工作台(10)包括设置在工作台面一侧的一个固定支承(11)和设置在工作台面另外一侧的两个可调支承(13)，并具有用于使水平工作台整体沿着X轴方向移动的X向移动调节装置(14)和用于使水平工作台整体沿着Y轴方向移动的Y向移动调节装置(12)。

7.如权利要求1-6任意一项所述的多探针平面度检测仪，其特征在于，所述多探针平面度检测仪还包括分别与所述垂直扫描工作台(6)和CCD成像装置(5)相连的计算机测控系统(8)，该计算机测控系统(8)用于控制所述垂直扫描工作台(6)的上下移动，并对所述CCD成像装置(5)形成干涉条纹予以显示输出及通过后置处理计算出对应的平面度。

8.一种使用如权利要求1-7任意一项所述的检测仪来执行平面度检测的方法，该方法包括下列步骤：

在执行平面度检测之前，先以一块标准平面度的表面作为测量对象，对各个探针所形成干涉条纹的相对距离进行预标定；

将被测样品放置在水平工作台上，并使得测量探针阵列各个探针的探针针尖保持与被测样品表面相接触，接着通过调节可调支承并配合电感测微表来调节被测表面，由此使得被测表面在电感测微表的测量分辨率范围内保持水平；

通过驱动垂直工作台，使得CCD成像装置中出现九簇干涉条纹，然后从中选择一簇干涉条纹作为基准条纹，并依据其他干涉条纹与该基准条纹之间的相对距离，获得与被测表面平面度相关的测量数据；以及

对所获得的测量数据进行后置评定处理，计算得出被测样品的平面度，由此完成整个平面度检测过程。

9.如权利要求8所述的平面度检测的方法，其特征在于，采用三角形准则或交叉准则来执行所述后置评定处理过程。

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