CN106441152B - 非对称式光学干涉测量方法及装置 - Google Patents

非对称式光学干涉测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非对称式光学干涉测量方法及装置，方法包括：入射光源经过分光镜分为两束光，分别投射到待测物体表面和参考镜表面，并分别通过待测物体侧的第一成像透镜、参考镜侧的第二成像透镜，经第三成像透镜在光电传感器上叠加形成至少一个干涉图像；第一成像透镜的放大倍率小于第二成像透镜的放大倍率；将相应干涉图像输入计算机获得相应干涉图像信号；对干涉图像信号进行解析，获得待测物体表面的三维形貌。本发明采用不同的放大倍率，使用小面积的参考镜面，得到大面积的待测物体表面的干涉图像，具有操作方便、成本较低、数据采样时间短、测量仪器抗干扰能力强、测量精度高、测量范围大和工作稳定性能好等优点。

Description

非对称式光学干涉测量方法及装置
技术领域
本发明涉及光学精密测量技术领域，具体涉及非对称式光学干涉测量方法及装置。
背景技术
近年来，随着精密制造技术的进步与发展，检测物体表面形状的技术已得到日益广泛的应用，光学干涉测量利用两束光所产生的干涉条纹，精密测量物体表面的三维形貌结构，由于光学干涉测量具有非接触式测量和测量精度高等特点，被广泛应用于测量半导体集成电路、平板显示器面板(LCD、PDP、EL)、MEMS基板等精密工业制品的表面三维立体细微形状结构，是精密加工领域不可缺少的关键支撑技术。
随着计算机数据处理技术和自动控制技术的飞速发展，光学干涉测量技术也在不断进步，美国ZYGO公司研制的NewView8000、日本Nikon的BW-S500以及德国Bruker公司的ContourGT-K代表当今光学三维精密测量仪器的最高水平，该测量仪器具有以下主要特点：测量精度达到纳米量级，操作方便，应用软件功能齐全，但是，由于该测量仪器采用对称式光学干涉系统和步进式扫描方法，存在测量速度慢和测量范围狭小等缺点。
对称式光学干涉系统即测试光学系统和参考光学系统对称，如图1所示，为对称式光学干涉系统的结构示意图，若需要扩大测试范围，则需要扩大参考基准面，而设计加工大面积的参考基准面需要较高的精密加工和装配技术，成本较高，且目前全世界只有为数不多的公司可以制作大面积的参考基准面，难以操作。
有鉴于此，急需解决现有光学干涉测量方法存在的测量速度慢、测量范围狭小、成本较高和难以操作问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是解决现有光学干涉测量方法存在测量速度慢、测量范围狭小、成本较高和难以操作问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种非对称式光学干涉测量方法，包括以下步骤：
入射光源经过分光镜分为两束光，分别投射到待测物体表面和参考镜表面，并分别通过待测物体侧的第一成像透镜、参考镜侧的第二成像透镜，经第三成像透镜在光电传感器上叠加形成至少一个干涉图像；所述第一成像透镜的放大倍率小于所述第二成像透镜的放大倍率；
将相应干涉图像输入计算机，获得相应的干涉图像信号；
对相应的干涉图像信号进行解析，获得待测物体表面的三维形貌。
在上述技术方案中，通过同时调整所述第二成像透镜与分光镜之间的距离、所述参考镜与分光镜之间的距离，并保持所述第二成像透镜与参考镜之间的距离不变，以改变所述参考镜侧的光路和所述待测物体侧的光路之间的光程差，在所述光电传感器上形成多个干涉图像。
在上述技术方案中，在所述第二成像透镜和参考镜之间插入准直透镜、直角转向反射镜和180度回射反射镜，通过调整直角转向反射镜和180度回射反射镜之间的距离，补偿由于改变待测物体的成像位置所引起的所述参考镜侧的光路和所述待测物体侧的光路之间的光程差。
在上述技术方案中，所述光电传感器为面阵相机光电传感器。
在上述技术方案中，利用相移算法或白光干涉法对相应的干涉图像信号进行解析。
本发明还提供了一种非对称式光学干涉测量装置，包括分光镜、待测物体、待测物体侧的第一成像透镜、参考镜、参考镜侧的第二成像透镜、第三成像透镜和光电传感器，所述第一成像透镜的放大倍率小于所述第二成像透镜的放大倍率；
入射光源经所述分光镜分为两束光，分别投射到待测物体表面和参考镜表面，并分别通过所述第一成像透镜和所述第二成像透镜，经所述第三成像透镜在所述光电传感器上叠加形成至少一个干涉图像。
在上述技术方案中，所述参考镜位于所述第二成像透镜的后焦面。
本发明提供了一种测量方式简单易操作、测量范围较大的非对称式光学干涉测量方法及装置，采用不同的放大倍率，使用小面积的参考镜面，得到大面积的待测物体表面的干涉图像，根据一个或者多个干涉图像，解析获得待测物体表面的三维形貌，具有结构设计合理、操作方便、成本较低、数据采样时间短、测量仪器抗干扰能力强、测量精度高、测量范围大和工作稳定性能好等优点。
附图说明
图1为对称式光学干涉系统的结构示意图；
图2为本发明提供的一种非对称式光学干涉测量方法流程图；
图3为本发明实施例1提供的一种非对称式光学干涉测量装置结构示意图；
图4为本发明实施例2提供的一种非对称式光学干涉测量装置结构示意图；
图5为本发明提供的单独使用参考镜M1侧的测量仪器所形成的参考镜M1的像；
图6为本发明提供的单独使用待测物体2侧的测量仪器所形成的待测物体2的像；
图7为本发明提供的同时使用参考镜M1侧和待测物体2侧的测量仪器所形成的干涉图像。
具体实施方式
本发明提供了一种测量方式简单易操作、测量范围最大可达直径1000mm的非对称式光学干涉测量方法及装置，采用不同的放大倍率，使用小面积的参考镜面，得到大面积的待测物体表面的干涉图像，根据一个或者多个干涉图像，解析待测物体表面的三维形貌，具有结构设计合理、操作方便、成本较低、数据采样时间短、测量仪器抗干扰能力强、测量精度高、测量范围大和工作稳定性能好等优点。
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细的说明。
本发明提供了一种非对称式光学干涉测量方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1、入射光源经过分光镜(分束镜)分为检测光和参考光两束光，分别投射到待测物体表面和参考镜表面，其中待测物体表面反射的检测光通过待测物体侧的第一成像透镜，参考镜表面反射的参考光通过参考镜侧的第二成像透镜，最后经第三成像透镜在面阵相机光电传感器上叠加形成至少一个干涉图像。
上述待测物体侧的第一成像透镜的放大倍率小于参考镜侧的第二成像透镜的放大倍率。
S2、将相应干涉图像输入计算机，获得相应的干涉图像信号。
S3、利用相移算法或白光干涉法对相应的干涉图像信号进行解析，获得待测物体表面的三维形貌。
通过同时调整第二成像透镜与分光镜之间的距离、参考镜与分光镜之间的距离，并保持第二成像透镜与参考镜之间的距离不变，以改变参考镜侧的光路和待测物体侧的光路之间的光程差，在光电传感器上形成多个干涉图像。
在第二成像透镜和参考镜之间插入准直透镜、直角转向反射镜和180度回射反射镜，通过调整直角转向反射镜和180度回射反射镜之间的距离，补偿由于改变待测物体的成像位置所引起的参考镜侧的光路和待测物体侧的光路之间的光程差。
实施例1。
本发明实施例1提供了一种非对称式光学干涉测量装置，如图3所示，包括分光镜1、待测物体2、待测物体2侧的第一成像透镜L1、参考镜M1(参考镜M1位于第二成像透镜L2的后焦面)、参考镜M1侧的第二成像透镜L2、第三成像透镜L3和面阵相机光电传感器3，第一成像透镜L1的放大倍率小于第二成像透镜L2的放大倍率；入射光源(激光等相干性较高的光源)经分光镜1分为检测光和参考光两束光，分别投射到待测物体2表面和参考镜M1表面，其中，待测物体2表面反射的检测光通过第一成像透镜L1，参考镜M1表面反射的参考光通过第二成像透镜L2，最后经第三成像透镜L3在面阵相机光电传感器3上叠加形成至少一个干涉图像。
待测物体2侧的第一成像透镜L1具有较小的放大倍率，可以将大面积的待测物体表面成像到面阵相机光电传感器3表面，与此相反，参考镜M1侧的第二成像透镜L2具有较大的放大倍率，可以将小面积的参考镜M1表面成像到面阵相机光电传感器3表面，由于待测物体2表面和参考镜M1表面在面阵相机光电传感器表面3的成像完全重合，可以在面阵相机光电传感器3表面形成干涉图像，从而实现高相干性照明光源的大面积干涉成像。
实施例2。
本发明实施例2对实施例1进一步优化，提供了一种非对称式光学干涉测量装置，该装置既可以使用激光等相干性较高的光源作为入射光源，也可以使用卤素白光光源等相干性较低的光源，如图4所示，包括分光镜1、待测物体2、待测物体2侧的第一成像透镜L1、参考镜M1、参考镜M1侧的第二成像透镜L2、第三成像透镜L3、参考镜M1侧的准直透镜L4、面阵相机光电传感器3、直角转向反射镜M2和180度回射反射镜M3。
直角转向反射镜M2和180度回射反射镜M3设置在准直透镜L4和参考镜M1之间，通过调整直角转向反射镜M2和180度回射反射镜M3之间的距离，补偿由于改变待测物体2的成像位置所引起的参考镜M1侧的光路和待测物体2侧的光路之间的光程差。待测物体2的成像位置与测量范围密切相关，如果待测物体2与第一成像透镜L1之间的距离增大，则会增加待测物体2的测量范围，同时也增加了待测物体2侧光程，所以需要保证待测物体2侧的光路和参考镜M1侧的光路具有相同的光程，以实现低相干性照明光源的大面积干涉成像。
下面采用半导体激光光源作为入射光源对本发明提供的一种非对称式光学干涉测量方法的实现进行说明，所采用的半导体激光光源的中心波长为670nm，输出功率为0.8MW；参考镜M1的直径为3.15mm，表面精度为λ/20(@633nm)；参考镜M1侧的放大倍率为1.0；待测物体2为平板玻璃，其直径为45.0mm；待测物体2侧的放大倍数为0.07，所使用的面阵相机光电传感器为美国Opteon公司生产的面阵CCD工业相机。
如图5所示，为单独使用参考镜M1侧的测量仪器所形成的参考镜M1的像；如图6所示，为单独使用待测物体2侧的测量仪器所形成的待测物体2的像；如图7所示，为同时使用参考镜M1侧和待测物体2侧的测量仪器所形成的干涉图像。
由图5和图6可知，通过采用两个不同的放大倍率，参考镜和待测物体在面阵CCD工业相机表面形成大小相同的像；由图7可知，如果同时使用参考镜M1侧和待测物体2侧的测量仪器，这两幅像会在面阵CCD工业相机表面重合，形成干涉图像。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种非对称式光学干涉测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
入射光源经过分光镜分为两束光，分别投射到待测物体表面和参考镜表面，并分别通过待测物体侧的第一成像透镜、参考镜侧的第二成像透镜，经第三成像透镜在光电传感器上叠加形成至少一个干涉图像；所述第一成像透镜的放大倍率小于所述第二成像透镜的放大倍率；
将相应干涉图像输入计算机，获得相应的干涉图像信号；
对相应的干涉图像信号进行解析，获得待测物体表面的三维形貌；
其中：通过同时调整所述第二成像透镜与分光镜之间的距离、所述参考镜与分光镜之间的距离，并保持所述第二成像透镜与参考镜之间的距离不变，以改变所述参考镜侧的光路和所述待测物体侧的光路之间的光程差，在所述光电传感器上形成多个干涉图像；
在所述第二成像透镜和参考镜之间插入准直透镜、直角转向反射镜和180度回射反射镜，通过调整直角转向反射镜和180度回射反射镜之间的距离，补偿由于改变待测物体的成像位置所引起的所述参考镜侧的光路和所述待测物体侧的光路之间的光程差。
2.如权利要求1所述的非对称式光学干涉测量方法，其特征在于，所述光电传感器为面阵相机光电传感器。
3.如权利要求1所述的非对称式光学干涉测量方法，其特征在于，利用相移算法或白光干涉法对相应的干涉图像信号进行解析。
4.一种非对称式光学干涉测量装置，其特征在于，包括分光镜、待测物体、待测物体侧的第一成像透镜、参考镜、参考镜侧的第二成像透镜、第三成像透镜和光电传感器，所述第一成像透镜的放大倍率小于所述第二成像透镜的放大倍率；
入射光源经所述分光镜分为两束光，分别投射到待测物体表面和参考镜表面，并分别通过所述第一成像透镜和所述第二成像透镜，经所述第三成像透镜在所述光电传感器上叠加形成至少一个干涉图像；
其中：通过同时调整所述第二成像透镜与分光镜之间的距离、所述参考镜与分光镜之间的距离，并保持所述第二成像透镜与参考镜之间的距离不变，以改变所述参考镜侧的光路和所述待测物体侧的光路之间的光程差，在所述光电传感器上形成多个干涉图像；
在所述第二成像透镜和参考镜之间插入准直透镜、直角转向反射镜和180度回射反射镜，通过调整直角转向反射镜和180度回射反射镜之间的距离，补偿由于改变待测物体的成像位置所引起的所述参考镜侧的光路和所述待测物体侧的光路之间的光程差。
5.如权利要求4所述的非对称式光学干涉测量装置，其特征在于，所述参考镜位于所述第二成像透镜的后焦面。
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