CN103940334B - 动态二维光电显微镜 - Google Patents

Abstract

一种动态二维光电显微镜，包括有用于照射被测二维线纹样板的照明光源，用于将被测二维线纹样板实像引入测量系统的光电显微镜物镜，设置在所述光电显微镜物镜的输出光路上，用于将该路光分为用于观察和用于测量的两路光的第一分光平片，设置在第一分光平片所分出的用于观察的光路上的成像CCD相机，所述成像CCD相机接收该路光用于在测量时对被测二维线纹样板进行观察与调整，设置在第一分光平片所分出的用于测量的光路上，并将该路光分成用于获取光电瞄准信号的测量方向为X轴的两路光和测量方向为Y轴的两路光的测量单元。本发明结构简单易于操作，能够实现二维线纹瞄准的测量功能，有较好的测量对象的适应性及测量精度。

Description

动态二维光电显微镜

技术领域

本发明涉及一种显微镜。特别是涉及一种能够实现二维线纹测量中的动态光电瞄准的动态二维光电显微镜。

背景技术

光电显微镜广泛应用于几何尺寸的精确瞄准、定位和测量之中。特别是在线纹的测量中，光电显微镜以其准确度高，测量方法简单等特点被广泛采用。动态光电显微镜具有测量对象在运动中瞄准测量的功能，因此在提高相应的测量效率方面有显著的效果，具有更广泛的适用性。在二维线纹测量中，由于测量点呈现几何级数增长，因此光电瞄准的效率更是具有十分重要的意义。目前二维线纹测量采用影像测量原理的光学显微镜来实现，由于光学显微镜的分辨能力限制、测量结果受测量材料影响、测量效率低及成本高等原因，制约了二维线纹测量与校准的技术发展，无法满足国家工业发展中对二维线纹测量与校准的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有较高适应性、动态测量、成本低及高测量准确度，能够实现二维线纹测量中的动态光电瞄准的动态二维光电显微镜。

本发明所采用的技术方案是：一种动态二维光电显微镜，包括有用于照射被测二维线纹样板的照明光源，用于将被测二维线纹样板实像引入测量系统的光电显微镜物镜，设置在所述光电显微镜物镜的输出光路上，用于将该路光分为用于观察和用于测量的两路光的第一分光平片，设置在第一分光平片所分出的用于观察的光路上的成像CCD相机，所述成像CCD相机接收该路光用于在测量时对被测二维线纹样板进行观察与调整，设置在第一分光平片所分出的用于测量的光路上，并将该路光分成用于获取光电瞄准信号的测量方向为X轴的两路光和测量方向为Y轴的两路光的测量单元。

所述的成像CCD相机的观察区域大于被测二维线纹样板的测量线宽的5倍。

所述的照明光源采用冷光源照明。

所述的测量单元包括有设置在第一分光平片所分出的用于测量的光路上的第二分光平片，设置在所述第二分光平片分出的垂直光路上的第三分光平片和设置在所述第二分光平片分出的水平光路上的第一可调谐工作狭缝，设置在所述第三分光平片分出的垂直光路上的分光棱镜和设置在所述第三分光平片分出的水平光路上的第二可调谐工作狭缝，设置在所述分光棱镜分出的垂直光路上的第四可调谐工作狭和设置在所述分光棱镜分出的水平光路上的第三可调谐工作狭缝，其中，所述的第一可调谐工作狭缝的输出连接第一光电接收器，所述的第二可调谐工作狭缝的输出连接第二光电接收器，所述的第三可调谐工作狭缝的输出连接第三光电接收器，所述的第四可调谐工作狭的输出连接第四光电接收器。

所述的第一可调谐工作狭缝、第二可调谐工作狭缝、第三可调谐工作狭缝和第四可调谐工作狭结构相同，包括有非透光板，分别形成在所述非透光板上的第一透光狭缝、第二透光狭缝、第三透光狭缝和第四透光狭缝，其中所述的第一透光狭缝和第三透光狭缝以所述非透光板的中心点为对称点对称的设置在非透光板的垂直轴线上，所述的第二透光狭缝和第四透光狭缝以所述非透光板的中心点为对称点对称的设置在非透光板的水平轴线上。

所述的第一透光狭缝、第二透光狭缝、第三透光狭缝和第四透光狭缝的宽度为1～20μm。

第一可调谐工作狭缝与第三可调谐工作狭缝相互匹配用于获取瞄准测量所需要的钟形波，第二可调谐工作狭缝与第四可调谐工作狭相互匹配用于获取瞄准测量所需要的鉴向信号，所述的第一可调谐工作狭缝、第二可调谐工作狭缝、第三可调谐工作狭缝和第四可调谐工作狭的空间位置的设置关系，要保证第一可调谐工作狭缝获取的钟形波与第三可调谐工作狭缝获取的钟形波相交的交点在两个钟形波的波峰值的50％～90％之间。

本发明的动态二维光电显微镜，具有如下益效果：

1、本发明采用的设计结构简单易于操作，能够实现二维线纹瞄准的测量功能，有较好的测量对象的适应性及测量精度。采用光电钟形波触发及时域同步鉴向的方法实现了二维线纹的动态光电瞄准，避免了现有采用影响法瞄准测量效率低、精度差的问题。解决二维线纹动态测量的问题，提高了当前的二维线纹测量的适应性。

2、本发明选用4个空间分布狭缝，运用了动态光电钟形波和鉴向信号复合的方式，有效地解决了同步动态测量和测量空间鉴别的问题，降低了测量成本，提高了测量效率。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中可调谐工作狭缝的结构图；

图3是本发明中被测二维线纹样板的二维线纹的刻线示意图；

图4是本发明中动态光电钟形波时序图；

图5是本发明中动态测量鉴向信号图。

图中

1：照明光源 2：被测二维线纹样板

3：光电显微镜物镜 4：第一分光平片

5：成像CCD相机 6：第二分光平片

7：第三分光平片 8：分光棱镜

9：第一可调谐工作狭缝 10：第一光电接收器

11：第二可调谐工作狭缝 12：第二光电接收器

13：第三可调谐工作狭缝 14：第三光电接收器

15：第四可调谐工作狭缝 16：第四光电接收器

17：钟形波信号 18：钟形波信号

19：鉴向信号 20：鉴向信号

21：非透光板 211：第一透光狭缝

212：第二透光狭缝 213：第三透光狭缝

214：第四透光狭缝

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的动态二维光电显微镜做出详细说明。

如图1所示，本发明的动态二维光电显微镜，包括有用于照射被测二维线纹样板2的照明光源1，用于将被测二维线纹样板2实像引入测量系统的光电显微镜物镜3，设置在所述光电显微镜物镜3的输出光路上，用于将该路光分为用于观察和用于测量的两路光的第一分光平片4，设置在第一分光平片4所分出的用于观察的光路上的成像CCD相机5，所述成像CCD相机5接收该路光用于在测量时对被测二维线纹样板2进行观察与调整，设置在第一分光平片4所分出的用于测量的光路上，并将该路光分成用于获取光电瞄准信号的测量方向为X轴的两路光和测量方向为Y轴的两路光的测量单元。

所述的照明光源1采用冷光源照明。该冷光源采用碘钨灯汇聚后由光纤导入，光纤导出端口经准直扩束后形成平行光投射到被测二维线纹样板2之上。光电显微镜物镜3用于将二维线纹刻线实像引入测量系统，该实像用于与测量系统中的可调谐狭缝进行比较形成相应的测量波形，显微物镜放大倍数和被测二维线纹样板2的二维线纹的线宽相匹配，可选择显微物镜放大倍数为40倍。所述的成像CCD相机用于光电显微镜测量二维线纹样板时观察与调整等辅助工作，成像CCD相机5的观察区域一般大于被测二维线纹样板2的测量线宽的5倍，以方便二维线纹样板的安装调整及测量时的粗大误差数据的诊断，本实施例选观察区域为100μm×100μm。

所述的测量单元包括有设置在第一分光平片4所分出的用于测量的光路上的第二分光平片6，设置在所述第二分光平片6分出的垂直光路上的第三分光平片7和设置在所述第二分光平片6分出的水平光路上的第一可调谐工作狭缝9，设置在所述第三分光平片7分出的垂直光路上的分光棱镜8和设置在所述第三分光平片7分出的水平光路上的第二可调谐工作狭缝11，设置在所述分光棱镜8分出的垂直光路上的第四可调谐工作狭15和设置在所述分光棱镜8分出的水平光路上的第三可调谐工作狭缝13，其中，所述的第一可调谐工作狭缝9的输出连接第一光电接收器10，所述的第二可调谐工作狭缝11的输出连接第二光电接收器12，所述的第三可调谐工作狭缝13的输出连接第三光电接收器14，所述的第四可调谐工作狭15的输出连接第四光电接收器16。

如图2所示，所述的第一可调谐工作狭缝9、第二可调谐工作狭缝11、第三可调谐工作狭缝13和第四可调谐工作狭15结构相同，包括有非透光板21，分别形成在所述非透光板21上的第一透光狭缝211、第二透光狭缝212、第三透光狭缝213和第四透光狭缝214，其中所述的第一透光狭缝211和第三透光狭缝213以所述非透光板21的中心点为对称点对称的设置在非透光板21的垂直轴线上，所述的第二透光狭缝212和第四透光狭缝214以所述非透光板21的中心点为对称点对称的设置在非透光板21的水平轴线上。

所述的第一透光狭缝211、第二透光狭缝212、第三透光狭缝213和第四透光狭缝214的宽度为1～20μm。该宽度与如图3所示的被测二维线纹样板2的二维线纹刻线的宽度相匹配。

第一可调谐工作狭缝9与第三可调谐工作狭缝13相互匹配用于获取瞄准测量所需要的钟形波，第二可调谐工作狭缝11与第四可调谐工作狭15相互匹配用于获取瞄准测量所需要的鉴向信号，所述的第一可调谐工作狭缝9、第二可调谐工作狭缝11、第三可调谐工作狭缝13和第四可调谐工作狭15的空间位置的设置关系，要保证第一可调谐工作狭缝9获取的钟形波与第三可调谐工作狭缝13获取的钟形波相交的交点在两个钟形波的波峰值的50％～90％之间。

本发明的动态二维光电显微镜，采用光电钟形波触发及时域同步鉴别测量方向的方式，利用光学成像的方法将测量的线纹实像投射在光电接收器的可调谐工作狭缝上，被测二维线纹样板2的二维线纹刻像经过旋转的可调谐工作狭缝的狭缝。当二维线纹刻像与可调谐工作狭缝的狭缝重合时通过狭缝光强最小，这个过程形成了动态光电瞄准的光电钟形波和鉴向信号。定义第一光电接收器10、第三光电接收器14测量方向为X轴、第二光电接收器12、第四光电接收器16测量方向为Y轴，以此共同组成平面直角坐标系，配合二维动态光电显微镜，X、Y轴分别由激光干涉仪测量。

本发明的动态二维光电显微镜测量时，照明光投射到被测二维线纹样板2通过光电显微镜物镜3进入光电显微镜，经过第一分光平片（其分光比为1:9），10%光强分光到成像CCD相机5成像用于测量观察与调整，另一部分用于光电瞄准信号的获取。其中第二分光平片6（其分光比为1:4）和第三分光平片7（其分光比为1:3）及分光棱镜8（其分光比为1:1）将测量光均匀分成4路。二维线纹的测量光成像在第一可调谐工作狭缝9处，四个可调谐工作狭缝的空间位置关系与二维动态光电显微镜的测量速度相关。第一可调谐工作狭缝和第三可调谐工作狭缝相互匹配，第二可调谐工作狭缝和第四可调谐工作狭缝相互匹配，用于获取瞄准测量所需要的钟形波和鉴向信号。以X轴向测量为例，当被测二维线纹样板的线纹实像动态通过第一可调谐工作狭缝时，如图4所示，第一光电接收器10得到钟形波17，通过第三可调谐工作狭缝时，第三光电接收器14得到钟形波信号18，如图5所示，第二光电接收器12得到鉴向信号19，第四光电接收器16得到鉴向信号20。从测量的钟形波和鉴向信号的时序关系上看，当通过第一组可调谐工作狭缝（第一可调谐工作狭缝、第三可调谐工作狭缝）光强被测量为钟形波时，通过第二组可调谐工作狭缝（第二可调谐工作狭缝、第四可调谐工作狭缝）光强测量得到必然是鉴向信号，反之亦然。测量方向可以通过每组的测量波形信号的时序来判断（是沿着X（或Y）轴正向（反向）运动）或通过测量人自我的设定。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。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)

1.一种动态二维光电显微镜，包括有用于照射被测二维线纹样板（2）的照明光源（1），其特征在于，还设置有：用于将被测二维线纹样板（2）实像引入动态二维光电显微镜的光电显微镜物镜（3），设置在所述光电显微镜物镜（3）的输出光路上，用于将该路光分为用于观察和用于测量的两路光的第一分光平片（4），设置在第一分光平片（4）所分出的用于观察的光路上的成像CCD相机（5），所述成像CCD相机（5）接收该路光用于在测量时对被测二维线纹样板（2）进行观察与调整，设置在第一分光平片（4）所分出的用于测量的光路上，并将该路光分成用于获取光电瞄准信号的测量方向为X轴的两路光和测量方向为Y轴的两路光的测量单元，光电显微镜物镜（3）用于将二维线纹刻线实像引入测量系统，该实像用于与测量系统中的可调谐狭缝进行比较形成相应的测量波形，所述的测量单元包括有设置在第一分光平片（4）所分出的用于测量的光路上的第二分光平片（6），设置在所述第二分光平片（6）分出的垂直光路上的第三分光平片（7）和设置在所述第二分光平片（6）分出的水平光路上的第一可调谐工作狭缝（9），设置在所述第三分光平片（7）分出的垂直光路上的分光棱镜（8）和设置在所述第三分光平片（7）分出的水平光路上的第二可调谐工作狭缝（11），设置在所述分光棱镜（8）分出的垂直光路上的第四可调谐工作狭缝（15）和设置在所述分光棱镜（8）分出的水平光路上的第三可调谐工作狭缝（13），其中，所述的第一可调谐工作狭缝（9）的输出连接第一光电接收器（10），所述的第二可调谐工作狭缝（11）的输出连接第二光电接收器（12），所述的第三可调谐工作狭缝（13）的输出连接第三光电接收器（14），所述的第四可调谐工作狭缝（15）的输出连接第四光电接收器（16），第一可调谐工作狭缝（9）与第三可调谐工作狭缝（13）相互匹配用于获取瞄准测量所需要的钟形波，第二可调谐工作狭缝（11）与第四可调谐工作狭缝（15）相互匹配用于获取瞄准测量所需要的鉴向信号，所述的第一可调谐工作狭缝（9）、第二可调谐工作狭缝（11）、第三可调谐工作狭缝（13）和第四可调谐工作狭缝（15）的空间位置的设置关系，要保证第一可调谐工作狭缝（9）获取的钟形波与第三可调谐工作狭缝（13）获取的钟形波相交的交点在两个钟形波的波峰值的50％～90％之间。

2.根据权利要求1所述的动态二维光电显微镜，其特征在于，所述的成像CCD相机（5）的观察区域大于被测二维线纹样板（2）的测量线宽的5倍。

3.根据权利要求1所述的动态二维光电显微镜，其特征在于，所述的照明光源（1）采用冷光源照明。

4.根据权利要求1所述的动态二维光电显微镜，其特征在于，所述的第一可调谐工作狭缝（9）、第二可调谐工作狭缝（11）、第三可调谐工作狭缝（13）和第四可调谐工作狭缝（15）结构相同，包括有非透光板（21），分别形成在所述非透光板（21）上的第一透光狭缝（211）、第二透光狭缝（212）、第三透光狭缝（213）和第四透光狭缝（214），其中所述的第一透光狭缝（211）和第三透光狭缝（213）以所述非透光板（21）的中心点为对称点对称的设置在非透光板（21）的垂直轴线上，所述的第二透光狭缝（212）和第四透光狭缝（214）以所述非透光板（21）的中心点为对称点对称的设置在非透光板（21）的水平轴线上。

5.根据权利要求4所述的动态二维光电显微镜，其特征在于，所述的第一透光狭缝（211）、第二透光狭缝（212）、第三透光狭缝（213）和第四透光狭缝（214）的宽度为1~20μm。