CN105136024B - 光路切换装置及集成多个测头的微纳米测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明还公开了一种光路切换装置和一种集成多个测头的微纳米测量系统。所述测量系统包括光源模块、图像采集模块、多个测头模块、一个成像分光镜和所述光路切换装置；光路切换装置包括一个驱动机构、一个具有多个反射面的移动反射镜和多个固定反射镜。通过光路切换装置的驱动机构可以切换光线传输路径，进而切换进行工作的测头模块。本发明涉及的光路切换装置可应用于光学测量领域，方便地切换光路。本发明涉及的测量系统利用所述光路切换装置可以实现多个测头的集成。在多个测头模块中设置至少一个能实现微米级测量的光学显微干涉测头模块和至少一个能实现纳米级测量的原子力显微干涉测头模块，可以实现跨尺度测量。

Description

光路切换装置及集成多个测头的微纳米测量系统

技术领域

本发明涉及一种光路切换装置，其用于光学测量领域；本发明还涉及一种集成多个测头的微纳米测量系统。

背景技术

目前的超精密光学测量工具，有集成触针测量和非接触测量的测量仪器，但其只是简单地组合多种测量功能，各测量模块分别采用各自的计量系统，只是共用支撑台架，并没有达到集成的目的。也有集成多种扫描探针显微镜的商用仪器，其测量方式均采用扫描探针这一形式，集成的各个扫描探针显微镜相互独立，均使用各自独立的数据采集与处理系统，仅共用可移动样品台及上位机的图像显示功能，通过上位机控制切换电路，进而选择不同的测头模块。同时，扫描探针这一测量形式的测量能力有限，虽然测量精度很高，但是无法测量尺寸较大的样品。

随着超精密加工技术、MEMS加工工艺的快速发展，半导体工业中高精度相关微小器件和结构的制造得到了极大的发展，主要体现在：尺寸跨度越来越大，结构复杂程度越来越高，制造精度要求也不断攀升。因此，对微纳米尺寸测量与表征技术提出了更高的要求。从工程设计到样机研究制造再到质量控制分析，微纳米尺寸测量与表征技术的影响力越来越大。这推动了基于新原理、新算法、更高精度和尺寸跨度的测量装置的研究。研究开发用于测量三维尺寸、位置和其他形貌特征的测量方法和相应装置，成为微器件和微结构测量领域的主要研究工作。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种光路切换装置，用以选择性地切换微纳米测量系统中光路传播路径，确切地讲，其可以在测量系统的多个测头之间进行选择性切换。

本发明还提供一种集成多个测头的微纳米测量系统，以实现共用计量系统的多个测头的集成。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明所涉及的光路切换装置采用如下方案：

一种光路切换装置，其特征是，所述光路切换装置包含一个驱动机构、一个移动反射镜和多个固定反射镜，所述移动反射镜上具有多个朝向不同方向的反射面，每个反射面与一个固定反射镜平行相对，所述移动反射镜与所述驱动机构相连接，当驱动机构将移动反射镜移动到不同位置时，可使移动反射镜的不同反射面接收入射光线，并经相对应的固定反射镜反射后，在不同位置输出出射光线。

优选地，所述移动反射镜为三棱柱形，具有三个与棱平行的柱面，其中一个柱面与所述入射光线垂直，另外两个柱面构成两个不同方向的反射面。

优选地，所述移动反射镜为三棱锥形，具有一个底面和三个锥面，所述底面与所述入射光线垂直，三个锥面构成三个不同方向的反射面。

进一步地，所述反射面与所述入射光线的夹角为45°。

本方案所涉及的光路切换装置的有益效果是可以选择性地切换微纳米测量系统中光路传播路径，确切地讲，其可以在测量系统的多个测头之间进行选择性切换，结构简单，操作方便。

本发明所涉及的一种集成多个测头的微纳米测量系统采用如下方案：

一种集成多个测头的微纳米测量系统，包括光源模块、图像采集模块和多个测头模块；其特征是，还包括一个成像分光镜和一个光路切换装置，所述光路切换装置包括一个驱动机构、一个移动反射镜和多个固定反射镜，所述移动反射镜上具有多个朝向不同方向的反射面，每个反射面与一个固定反射镜平行相对，所述光源模块发出的光源光线经成像分光镜反射后照射在移动反射镜的一个反射面上，再经固定反射镜反射后进入其中一个测头模块，从测头模块中返回的成像光线依次经所述固定反射镜、移动反射镜和成像分光镜进入图像采集模块；所述移动反射镜与所述驱动机构相连接，当驱动机构带动移动反射镜移动位置后，可使移动反射镜的另一反射面接收所述光源光线，并经另一固定反射镜反射后进入另一测头模块。

进一步地，所述多个测头模块中包括一个可实现微米尺度测量的光学显微干涉测头和一个可实现纳米尺度测量的原子力显微干涉测头模块。

进一步地，所述原子力显微干涉测头模块中包括光学干涉物镜、压电驱动器、悬臂梁和探针，所述压电驱动器和悬臂梁后端连接，悬臂梁前端和探针垂直连接，所述光源光线透过所述光学干涉物镜照射在所述悬臂梁背面。

进一步地，所述光学显微干涉测头模块中包括一光学干涉物镜。

优选地，所述光学干涉物镜为米劳干涉物镜、迈克尔逊干涉物镜或林尼克干涉物镜。

优选地，所述多个测头模块中包括聚焦式测头模块或光学微接触式测头模块。

本方案所涉及的一种集成多个测头的微纳米测量系统具有如下有益效果：

本发明所涉及的一种集成多个测头的微纳米测量系统通过光路切换装置可以在多个测头模块之间选择切换，多个测头模块共用光源模块和图像采集模块，实现了多个测头模块的集成。在多个测头模块中设置至少一个能实现微米尺度测量的光学显微干涉测头模块和至少一个能实现纳米尺度测量的原子力显微干涉测头模块，由于光学显微干涉测头模块可实现微米尺度测量，原子力显微干涉测头模块可实现纳米尺度测量，本发明所涉及的测量系统实现了跨尺度测量，拓宽了被测对象的范围，实现了单一测量系统的跨尺度测量功能。测量系统单次测量可达到微米级测量范围和纳米级分辨力，再通过图像拼接技术，可将测量范围拓宽至毫米量级。

附图说明

图1是三棱柱形多面反射镜光路切换装置第一反射面工作时的示意图。

图2是三棱柱形多面反射镜光路切换装置第二反射面工作时的示意图。

图3是三棱锥形多面反射镜光路切换装置第一反射面工作时的工作示意图。

图4是三棱锥形多面反射镜光路切换装置第二反射面工作时的工作示意图。

图5是三棱锥形多面反射镜光路切换装置第三反射面工作时的工作示意图。

图6是光学显微干涉测头模块与原子力显微干涉测头模块集成式光学测量系统的工作示意图。

图7是图像采集模块示意图。

图8是光源模块示意图。

图9是光学显微干涉测头示意图。

图10是原子力显微干涉测头示意图。

附图标记如下：

光路切换装置1；移动反射镜11；第一反射面11a；第二反射面11b；第三反射面11c；驱动机构12；第一固定反射镜13；第二固定反射镜14；第三固定反射镜15；光源模块2；光源21；平行光镜22；滤光镜23；滤光膜片24；调节光镜25；调节膜片26；图像采集模块3；成像镜31；CCD摄像头32；光学显微干涉测头模块41；干涉物镜411；汇聚镜4111；参考镜支撑盘4112；参考镜4113；补偿镜4114；测头分光镜4115；原子力显微干涉测头模块42；压电驱动器422；悬臂梁423；探针424；干涉物镜411；成像分光镜5；测量表征物6。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

如图1-5所示，本发明所涉及的光路切换装置，包含一个驱动机构12、一个移动反射镜11和多个固定反射镜，移动反射镜11上具有多个朝向不同方向的反射面，与每个反射面相平行地都配置有一个固定反射镜，移动反射镜11与驱动机构12相连接，驱动机构12可以是精密运动平台，也可以是专用的精确定位机构，驱动机构12能将移动反射镜11精确地移动并定位到不同位置以满足光路调整的需求；当驱动机构12将移动反射镜11移动到不同位置时，可使移动反射镜11的不同反射面接收入射光线，接收光线的的反射面将入射光线反射到对应的固定反射镜，从不同位置输出出射光线。反射面与入射光线之间的夹角优选为45°。

本发明所涉及的光路切换装置的第一种实施方式如图1和图2所示，移动反射镜11为三棱柱形，具有三个与棱平行的柱面，其中一个柱面为底面，与驱动机构12连接，底面与入射光线垂直，另外两个柱面构成两个不同方向的第一反射面11a和第二反射面11b，第一反射面11a、第二反射面11b与底面之间的夹角均优选为45°。与第一反射面11a、第二反射面11b分别配置有第一固定反射镜13、第二固定反射镜14，第一反射面11a和第二反射面11b分别与第一固定反射镜13和第二固定反射镜14平行相对。驱动机构12可以将移动反射镜11左右平移，当驱动机构12将移动反射镜11移到左边时，使第一反射面11a的中心区域接受入射光线，如图1所示，第一反射面11a将入射光线反射到第一固定反射镜13上，第一固定反射镜13将入射光线从其下方反射输出；当驱动机构12将移动反射镜11移到右边时，如图2所示，第二反射面11b的中心区域接收入射光线，并将入射光线反射到第二固定反射镜14上，第二固定反射镜14将入射光线从其下方反射输出。

本发明所涉及的光路切换装置的第二种实施方式如图3和图5所示，移动反射镜11为三棱锥形，具有一个底面和三个锥面，底面与驱动机构12连接，底面与入射光线垂直，三个锥面构成三个不同方向的第一反射面11a、第二反射面11b、第三反射面11c，第一反射面11a、第二反射面11b、第三反射面11c优选为全等三角形，第一反射面11a、第二反射面11b、第三反射面11c与底面之间的夹角均优选为45°。与第一反射面11a、第二反射面11b、第三反射面11c分别配置有第一固定反射镜13、第二固定反射镜14、第三固定反射镜15，第一反射面11a、第二反射面11b、第三反射面11c分别与第一固定反射镜13、第二固定反射镜14、第三固定反射镜15平行相对。驱动机构12可以将移动反射镜11在底面所在平面内平移，如图1所示，将移动反射镜11平移，使第一反射面11a的中心区域接收入射光线，入射光线被反射到第一固定反射镜13上，入射光线从第一固定反射镜13下方反射输出；如图2所示，将移动反射镜11平移，使第二反射面11b的中心区域接收入射光线，入射光线被反射到第二固定反射镜14上，入射光线从第二固定反射镜14下方反射输出；如图3所示，将移动反射镜11平移，使第三反射面11c的中心区域接收入射光线，入射光线被反射到第三固定反射镜15上，入射光线从第三固定反射镜15下方反射输出。

本发明所涉及的光路切换装置还可以有更多的实施方式，比如通过将移动反射镜11扩展为更多面的棱锥，驱动机构12可以将移动反射镜11平移至多个位置，棱锥面为反射面，每个反射面配置一个固定反射镜，则可以实现更多路的光路切换。

本方案所涉及的光路切换装置的有益效果是可以选择性地切换微纳米测量系统中光路传播路径，确切地讲，其可以在测量系统的多个测头之间进行选择性切换，结构简单，操作方便。

下面对本发明所涉及的一种集成多个测头的微纳米测量系统的实施方式进行阐述。

如图6至图10所示，本发明所涉及的一种集成多个测头的微纳米测量系统，包括光源模块2、图像采集模块3、一个成像分光镜5、一个光路切换装置1、多个测头模块(41、42)；光路切换装置1包括一个驱动机构12、一个移动反射镜11和多个固定反射镜。移动反射镜11上具有多个朝向不同方向的反射面，每个反射面与一个固定反射镜平行相对。在本实施例中，测量系统采用如图1和图2所示的光路切换装置1，其构造和工作方式在前面已经说明，此处不再赘述。光源模块2发出的光源光线照射在成像分光镜5上，成像分光镜5将部分光源光线反射进入到光路切换装置1，光源光线经过光路切换装置1进入一个测头模块；当光路切换装置1的驱动机构12带动移动反射镜11移动至另一位置后，移动反射镜11的另一反射面接收被成像分光镜5反射进入到光路切换装置1的光源光线，光源光线被反射至另一固定反射镜后进入另一测头模块。

光源光线经测头模块的干涉物镜411照射在测量表征物6表面(对于原子力显微干涉测头模块42，悬臂梁423的背面等效测量表征物6)，并经测量表征物6表面反射后再次通过干涉物镜411时产生干涉光。干涉光返回至光路切换装置1，经过光路切换装置1返回到成像分光镜5，通过成像分光镜5照射在成像镜31上，通过成像镜31并照射在CCD摄像头32上。通过CCD摄像头32将光信号转化为电信号，进而通过相关电路和计算机算法处理后重构出被测样品的表面形貌信息。干涉条纹的检测可采用极值法、质心法、傅里叶变换法及小波变换等方法实现。CCD摄像头32应选择较具有高灵敏度和较大动态范围，以及较小的像元尺寸和像元间距，以便获取较高的系统测量分辨率。同时，应具有较大的靶面尺寸，以获取较大的单视场测量范围。

在本实施方案中，如图7所示，光源模块2包括光源21、平行光镜22、滤光镜23、滤光膜片24、调节光镜25、调节膜片26，光源21发出的光经平行光镜22后变为平行光，然后利用滤光镜23进行聚焦，再在焦点处设置一带有小孔的滤光膜片24对杂散光进行过滤，最后通过调节光镜25再次将聚焦的光线转化为平行光传输至带有小孔的调节膜片26，调节膜片26孔径可调，用于改变射出平行光线的直径。光源21应选择半极值宽较大的光源来提高零级条纹的可见度，可选择白光或单色光，如红光、蓝光等，也可采用多光源组合的方式，以便于中心零级条纹的识别和判定，光源模块2优选半极值宽大于135nm的光源。光源模块2的实施方式并不局限于上述结构，只要光源模块2能将光源21发出的光转变为平行光输出即可。

在本实施方案中，包括两个测头模块，分别是光学显微干涉测头模块41和原子力显微干涉测头模块42。光学显微干涉测头模块41采用米劳干涉物镜，其由汇聚镜4111、参考镜支撑盘4112、参考镜4113、补偿镜4114和测头分光镜4115组成，从光路切换装置1输入的光线经汇聚镜4111后入射到测头分光镜4115，经测头分光镜4115分光后，一部分被反射至参考镜4113，一部分透射过测头分光镜4115，透射光线经测量表征物6表面反射后与反射光线发生干涉。由于反射光比透射光多一次在测头分光镜4115玻璃中的往返过程，这个过程会带来较大的光程差，因此设置一个与测头分光镜4115厚度材料相同的补偿镜4114用于补偿反射光与透射光之间的光程差，以使干涉现象更加明显。光学显微干涉测量的轴向具有微米级测量范围，纳米级分辨力，横向具有微米级测量范围和0.3微米左右的分辨力，采用光学显微干涉测头模块41能够实现微米尺度的测量。原子力显微干涉测头模块42包括米劳干涉物镜、压电驱动器422、悬臂梁423、探针424，采用光学干涉原理检测微悬臂的变形，从而实现微位移的测量。探针424与悬臂梁423垂直并固定在悬臂梁423前端，探针424针尖与测量表征物6接触，悬臂梁423的后端与压电驱动器422连接，米劳干涉物镜用于检测悬臂梁423的变形，压电驱动器422用于调整悬臂梁423的位置以及提供原子力显微测头模块轻敲工作模式时的振荡激励。悬臂梁423的形状设计为矩形，背面镀上光洁、反射率高的材料，以使干涉图像显示更加直观，便于零级条纹移动量的检测。探针424针尖部分覆盖一层类金刚石碳膜，以抵抗针尖磨损。原子力显微干涉测头模块42测量时轴向和横向均利用光学显微干涉测量的轴向测量能力，故具有纳米级分辨力，可实现纳米尺度的测量。单个测头模块中测头的选择不仅仅局限于光学显微干涉测头和原子力显微干涉测头两种，亦可选择其他原理的传感测头，只要能与测量表征物6反射回来的光线产生返回的干涉光即可，如光学微接触式测头等。同时，也可选择同一类型测头，如两个都是光学显微干涉测头，具有相同或不同的技术参数。单个测头的光学显微干涉部分，干涉物镜411不仅仅局限于米劳干涉物镜，亦可替换为迈克尔逊(Michelson)干涉物镜、林尼克(Linnik)干涉物镜或其他原理的干涉物镜。

本发明所涉及的用于超精密光学测量领域的集成式光学测量系统除了上述实施例中两个测头模块之间的切换的实施方式之外，还可以实现更多个测头模块之间的切换。如使用图3至图5所示的光路切换装置1，设置三个与光路切换装置1的三个固定反射镜对应的测头模块，就可以实现三个测头模块的集成。以此类推，将移动反射镜11设置为更多面的棱锥，并为移动反射镜11的每个反射面设置一个工作位置，为每个反射面设置一个固定反射镜，为每个固定反射镜设置一个测头模块，这样就可以实现更多个测头模块的集成。

本发明所涉及的一种集成多个测头的微纳米测量系统通过光路切换装置1可以在多个测头模块之间选择切换，多个测头模块共用光源模块2和图像采集模块3，实现了多个测头模块的集成。本发明将光学干涉测头和原子力显微干涉测头集成在同一测量系统中，实现了多信息传感和数据融合；光学显微干涉测头和原子力显微干涉测头均采用光学干涉原理进行检测，在实现多信息传感的同时，降低了数据融合的难度；在多个测头模块中设置至少一个能实现微米尺度测量的光学显微干涉测头模块41和至少一个能实现纳米尺度测量的原子力显微干涉测头模块42，由于光学显微干涉测头模块41可实现微米尺度测量，原子力显微干涉测头模块42可实现纳米尺度测量，本发明所涉及的测量系统实现了跨尺度测量；测量时可根据被测样品对精度的要求，选择合适的测量方式，对于未知尺寸的样品，可先采用光学干涉方式进行扫描测量，如需进行精细扫描测量，则切换至原子力显微模式，通过合理切换工作模式，避免了原子力探针在测量未知尺度样品时的断针风险；两种测量模式互补，克服了使用单一传感方式测量的缺陷，充分发挥了光学干涉法的大范围、高速、非接触等优点，以及原子力显微方法的高分辨力、高精度优势；测量系统单次测量可达到微米级测量范围和纳米级分辨力，再通过图像拼接技术，可将测量范围拓宽至毫米量级。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种集成多个测头的微纳米测量系统，包括光源模块(2)、图像采集模块(3)和多个测头模块(41、42)；其特征是，还包括一个成像分光镜(5)和一个光路切换装置(1)，所述光路切换装置(1)包括一个驱动机构(12)、一个移动反射镜(11)和多个固定反射镜，所述移动反射镜(11)上具有多个朝向不同方向的反射面，每个反射面与一个固定反射镜平行相对，所述光源模块(2)发出的光源光线经成像分光镜(5)反射后照射在移动反射镜(11)的一个反射面上，再经固定反射镜反射后进入其中一个测头模块(41、42)，从测头模块(41、42)中返回的成像光线依次经所述固定反射镜、移动反射镜(11)和成像分光镜(5)进入图像采集模块(3)；所述移动反射镜(11)与所述驱动机构(12)相连接，当驱动机构(12)带动移动反射镜(11)移动位置后，可使移动反射镜(11)的另一反射面接收所述光源光线，并经另一固定反射镜反射后进入另一测头模块。

2.如权利要求1所述的测量系统，其特征是，所述多个测头模块(41、42)中包括一个可实现微米尺度测量的光学显微干涉测头模块(41)和一个可实现纳米尺度测量的原子力显微干涉测头模块(42)。

3.如权利要求2所述的测量系统，其特征是，所述原子力显微干涉测头模块(42)中包括光学干涉物镜(411)、压电驱动器(422)、悬臂梁(423)和探针(424)，所述压电驱动器(422)和悬臂梁(423)后端连接，悬臂梁(423)前端和探针(424)垂直连接，所述光源光线透过所述光学干涉物镜(411)照射在所述悬臂梁(423)背面。

4.如权利要求2所述的测量系统，其特征是，所述光学显微干涉测头模块(41)中包括一光学干涉物镜(411)。

5.如权利要求3或4所述的测量系统，其特征是，所述光学干涉物镜(411)为米劳干涉物镜、迈克尔逊干涉物镜或林尼克干涉物镜。

6.如权利要求1所述的测量系统，其特征是，所述多个测头模块(41、42)中包括聚焦式测头模块或光学微接触式测头模块。