CN107014309A - 一种白光干涉三维形貌再现装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光机电一体化的应用装置领域，具体涉及一种白光干涉三维形貌再现装置，包括计算机、驱动装置、依次设置的CCD图像传感器、显微目镜、显微物镜、光学补偿板、分光板和工作台，驱动装置用于驱动工作台等距位移直线运动，光学补偿板和分光板的上表面均复合有半透半反膜，计算机的输出端连接至驱动装置的输入端，CCD图像传感器的输出端连接至计算机的输入端，计算机用于通过再现待测物体朝向分光板的表面的三维形貌。本发明的有益效果是：可预先人工调节显微目镜和显微物镜的位置可以实现从待测物体表面反射的光与光学补偿板上反射的光接近等光程，达到零光程差，实现白光干涉，调节方便；操作简单，制作成本较低，经济价值可观。
Description
技术领域
本发明属于光机电一体化的应用装置领域，具体涉及一种白光干涉三维形貌再现装置。
背景技术
获取物体表面形貌常常是通过接触物体表面，然后再现三维形貌，其缺点是会在物体表面留下划痕。采用光学干涉的方法也称为非接触方式，但是要实现白光干涉是相当困难的，常用的迈克尔孙干涉仪采用He-Ne激光器发出的632.8nm的红色激光可以测量微小距离的变化，由迈克尔孙干涉仪变化得到多种三维形貌仪已经面世。但是要观察较高质量的白光的干涉条纹，须调节迈克尔孙干涉仪的干涉臂至基本完全对称，才能实现两相干光的光程差要非常小，而调节过程中需十分细心，操作十分困难。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种可预先人工调节显微镜的目镜和物镜的位置，以实现从待测物体表面反射的光与光学补偿板上反射的光接近等光程，达到零光程差，实现白光干涉，调节方便的白光干涉三维形貌再现装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种白光干涉三维形貌再现装置，其包括计算机、驱动装置、沿光线传播方向依次设置的CCD图像传感器、显微目镜、显微物镜、光学补偿板、分光板和用于放置待测物体的工作台，驱动装置用于驱动工作台在光线传播方向上作等距位移的直线运动，光学补偿板和分光板朝向显微物镜的上表面均复合有半透半反膜，计算机的输出端连接至驱动装置的信号输入端，CCD图像传感器的信号输出端连接至计算机的输入端，计算机用于通过三维形貌分析软件，再现待测物体朝向分光板的表面的三维形貌。
本发明可预先选用两块厚度相等的上表面都涂有半透半反膜的玻璃板，一块涂有半透半反膜的玻璃板为光学补偿板，一块涂有半透半反膜的玻璃板为分光板，显微目镜、显微物镜、光学补偿板与分光板共轴；工作台下方与驱动装置连接，启动驱动装置使工作台逐步等间距地上移或者下移。其中，本发明采用两块涂有半透半反膜的玻璃板实现白光干涉，再现非透明物体三维形貌的装置还没有报道。
第一路光直接透过显微目镜、显微物镜、光学补偿板和分光板，并经待测物体的上表面反射后原路返回，第二路光通过分光板反射至光学补偿板，并由光学补偿板的半透半反膜重新反射至分光板，接着再由分光板的半透半反膜重新反射并与第一路光汇合并按第一路光的返回路线发射至CCD图像传感器，由CCD图像传感器垂直扫描至计算机。此外，计算机每隔一定时间发出指令使驱动装置顺时针转动或者逆时针转动逐步等间距地改变工作台上下位置，驱动装置的驱动行程一定，因此工作台移动的微小位移也是确定的，从而本发明利用驱动装置可以等间距地改变相位，获取多幅白光干涉图样。CCD图像传感器垂直扫描过程中，顺序获取一系列的白光干涉图，通过三维形貌恢复算法计算并定位出每个像素点的零光程差位置，即可得到相应高度的信息，从而恢复出待测物体的表面三维形貌。本发明巧妙地利用光学补偿板和分光板上表面的半透半反膜，形成来自于待测物体表面的反射光与光学补偿板反射回来的光接近等光程，达到零光程差，实现白光干涉。本发明可预先人工调节显微目镜和显微物镜的位置可以实现从待测物体表面反射的光与光学补偿板上反射的光接近等光程，达到零光程差，实现白光干涉，显微镜调节十分方便；结构简单，启动灵活，重复性好；操作简单，制作成本较低，经济价值可观。
具体地，白光干涉三维形貌再现装置还包括限位块，驱动装置为步进电机，限位块以及驱动装置的机座均在安装位置上固定不动；工作台上螺纹连接有丝杠，丝杠和显微物镜的中心轴线平行设置，丝杠同轴固定于驱动装置的输出转轴上，工作台的一侧设有贴靠于限位块上的限位平面。工作台的一侧和限位块上的限位平面紧密配合，丝杠驱动工作台升降过程中，限位块限制了工作台的转动，促使工作台始终可平稳地只做升降运动，而不做旋转运动，因此便于CCD图像传感器扫描，成像真实。
进一步地，工作台的下面固定有固定金属块，固定金属块的下部设有第一螺纹孔，丝杠螺纹连接于第一螺纹孔中，结构简单，方便安装。
可选地，丝杠通过联轴器连接输出转轴，连接后固定效果好。
可选地，丝杠朝向驱动装置的端部设有第二螺纹孔，第二螺纹孔和丝杠的中心轴线重合，第二螺纹孔与输出转轴螺纹连接，丝杠的一侧设有连通第二螺纹孔的螺钉孔，螺钉孔中螺纹连接有用于压靠于输出转轴一侧的固定螺丝，方便安装和拆卸，固定效果好，长期转动后，不会产生高度上的误差。
具体地，白光干涉三维形貌再现装置还包括显微镜本体，显微目镜和显微物镜安装于显微镜本体的镜筒中，光学补偿板和分光板安装于显微镜本体的镜筒下部；结构简单，便于在普通的显微镜本体的镜筒下直接加装另一个镜筒，以安装光学补偿板和分光板，改装方便，操作简单，制作成本较低，经济价值可观。
一个成功的实例，基于普通显微镜的显微目镜和显微物镜，加载CCD图像传感器与计算机相连，光学补偿板和分光板通过镜筒安装于显微镜的显微物镜下部，只要适当调节显微镜的显微目镜和显微物镜之间的距离即可获得白光干涉图样，通过步进电机转动使工作台上下微小移动，获得多幅白光干涉图样。
以a(x,y)表示在待测物体的待测表面所对应的像素点质心位置矩阵上的背景光强，b(x,y)表示变形条纹的调制程度，表示待测物体表面高度h(x,y)所决定的变量函数，则由CCD图像传感器采集到的白光干涉图样的光强分布为
通过步进电机每一步采集到的干涉图样，其相位移动了δi，令即
其中，
综上所述，本发明巧妙地利用光学补偿板和分光板上表面的半透半反膜，形成来自于待测物体表面的反射光与光学补偿板反射回来的光接近等光程，达到零光程差，实现白光干涉。步进电机接受计算机指令，每一步旋转一定的角度，因此工作台移动的微小位移也是确定的。人工调节显微目镜和显微物镜的位置可以实现从待测物体表面反射的光与光学补偿板上反射的光接近等光程，达到零光程差，实现白光干涉。利用步进电机可以等间距地改变相位，获取多幅白光干涉图样，通过自制的分析软件或者其他软件(如扫描探针图像处理软件SPIPTM等)，再现物体表面三维形貌。该装置结构简单，启动灵活，重复性好。
本发明的一种白光干涉三维形貌再现装置的有益效果是：本发明可预先人工调节显微目镜和显微物镜的位置可以实现从待测物体表面反射的光与光学补偿板上反射的光接近等光程，达到零光程差，实现白光干涉，显微镜调节十分方便；结构简单，启动灵活，重复性好；操作简单，制作成本较低，经济价值可观。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的一种白光干涉三维形貌再现装置的光学干涉原理图；
图2是本发明的一种白光干涉三维形貌再现装置的光学补偿板的主视图；
图3是本发明的一种白光干涉三维形貌再现装置的分光板的主视图；
图4是本发明的一种白光干涉三维形貌再现装置的工作台的全剖示意图；
图5是本发明的一种白光干涉三维形貌再现装置的丝杠与驱动装置的输出转轴的连接示意图。
其中:1.CCD图像传感器；2.显微目镜；3.显微物镜；4.光学补偿板；5.分光板；6.限位块；7.待测物体；8.工作台，81.固定金属块，82.丝杠，83.固定螺丝；9.输出转轴；10.驱动装置；11.计算机；12.半透半反膜。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1-图5所示的本发明的一种白光干涉三维形貌再现装置的具体实施例，其包括计算机11、驱动装置10、沿光线传播方向依次设置的CCD图像传感器1、显微目镜2、显微物镜3、光学补偿板4、分光板5和用于放置待测物体7的工作台8，驱动装置10用于驱动工作台8在光线传播方向上作等距位移的直线运动，光学补偿板4和分光板5朝向显微物镜3的上表面均复合有半透半反膜12，计算机11的输出端连接至驱动装置10的信号输入端，CCD图像传感器1的信号输出端连接至计算机11的输入端，计算机11用于通过三维形貌分析软件，再现待测物体7朝向分光板5的表面的三维形貌。
本实施例可预先选用两块厚度相等的上表面都涂有半透半反膜的玻璃板，一块涂有半透半反膜12的玻璃板为光学补偿板4，一块涂有半透半反膜12的玻璃板为分光板5，显微目镜2、显微物镜3、光学补偿板4与分光板5共轴；工作台8下方与驱动装置10连接，启动驱动装置10使工作台8逐步等间距地上移或者下移。其中，本实施例采用两块涂有半透半反膜12的玻璃板实现白光干涉，再现非透明物体三维形貌的装置还没有报道。
如图1所示，第一路光直接透过显微目镜2、显微物镜3、光学补偿板4和分光板5，并经待测物体7的上表面反射后原路返回，第二路光通过分光板5反射至光学补偿板4，并由光学补偿板4的半透半反膜12重新反射至分光板5，接着再由分光板5的半透半反膜12重新反射并与第一路光汇合并按第一路光的返回路线发射至CCD图像传感器1，由CCD图像传感器1垂直扫描至计算机11。此外，计算机11每隔一定时间发出指令使驱动装置10顺时针转动或者逆时针转动逐步等间距地改变工作台8上下位置，驱动装置的驱动行程一定，因此工作台8移动的微小位移也是确定的，从而本实施例利用驱动装置10可以等间距地改变相位，获取多幅白光干涉图样。CCD图像传感器1垂直扫描过程中，顺序获取一系列的白光干涉图，通过三维形貌恢复算法计算并定位出每个像素点的零光程差位置，即可得到相应高度的信息，从而恢复出待测物体7的表面三维形貌。本实施例巧妙地利用光学补偿板4和分光板5上表面的半透半反膜12，形成来自于待测物体7表面的反射光与光学补偿板4反射回来的光接近等光程，达到零光程差，实现白光干涉，其干涉原理图如图1所示。本实施例可预先人工调节显微目镜2和显微物镜3的位置可以实现从待测物体7表面反射的光与光学补偿板4上反射的光接近等光程，达到零光程差，实现白光干涉，显微镜调节十分方便；结构简单，启动灵活，重复性好；操作简单，制作成本较低，经济价值可观。
具体地，白光干涉三维形貌再现装置还包括限位块6，驱动装置10为步进电机，限位块6以及驱动装置10的机座均在安装位置上固定不动；工作台8上螺纹连接有丝杠82，丝杠82和显微物镜3的中心轴线平行设置，丝杠82同轴固定于驱动装置10的输出转轴9上，工作台8的一侧设有贴靠于限位块6上的限位平面。工作台8的一侧和限位块6上的限位平面紧密配合，丝杠82驱动工作台8升降过程中，限位块6限制了工作台8的转动，促使工作台8始终可平稳地只做升降运动，而不做旋转运动，因此便于CCD图像传感器1扫描，成像真实。
进一步地，工作台8的下面固定有固定金属块81，固定金属块81的下部设有第一螺纹孔，丝杠82螺纹连接于第一螺纹孔中，结构简单，方便安装。
可选地，丝杠82通过联轴器连接输出转轴9，连接后固定效果好。
可选地，丝杠82朝向驱动装置10的端部设有第二螺纹孔，第二螺纹孔和丝杠82的中心轴线重合，第二螺纹孔与输出转轴9螺纹连接，丝杠82的一侧设有连通第二螺纹孔的螺钉孔，螺钉孔中螺纹连接有用于压靠于输出转轴9一侧的固定螺丝83，方便安装和拆卸，固定效果好，长期转动后，不会产生高度上的误差。
具体地，白光干涉三维形貌再现装置还包括显微镜本体，显微目镜2和显微物镜3安装于显微镜本体的镜筒中，光学补偿板4和分光板5安装于显微镜本体的镜筒下部；结构简单，便于在普通的显微镜本体的镜筒下直接加装另一个镜筒，以安装光学补偿板4和分光板5，改装方便，操作简单，制作成本较低，经济价值可观。
一个成功的实例，基于普通显微镜的显微目镜2和显微物镜3，加载CCD图像传感器1与计算机11相连，光学补偿板4和分光板5通过镜筒安装于显微镜的显微物镜3下部，只要适当调节显微镜的显微目镜2和显微物镜3之间的距离即可获得白光干涉图样，通过步进电机转动使工作台8上下微小移动，获得多幅白光干涉图样。
以a(x,y)表示在待测物体7的待测表面所对应的像素点质心位置矩阵上的背景光强，b(x,y)表示变形条纹的调制程度，表示待测物体7表面高度h(x,y)所决定的变量函数，则由CCD图像传感器1采集到的白光干涉图样的光强分布为
通过步进电机每一步采集到的干涉图样，其相位移动了δi，令即
其中，
综上所述，本实施例巧妙地利用光学补偿板4和分光板5上表面的半透半反膜12，形成来自于待测物体7表面的反射光与光学补偿板4反射回来的光接近等光程，达到零光程差，实现白光干涉，其干涉原理图如图1所示，步进电机接受计算机11指令，每一步旋转一定的角度，因此工作台8移动的微小位移也是确定的。人工调节显微目镜2和显微物镜3的位置可以实现从待测物体7表面反射的光与光学补偿板4上反射的光接近等光程，达到零光程差，实现白光干涉。利用步进电机可以等间距地改变相位，获取多幅白光干涉图样，通过自制的分析软件或者其他软件(如扫描探针图像处理软件SPIPTM等)，再现物体表面三维形貌。该装置结构简单，启动灵活，重复性好。
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种白光干涉三维形貌再现装置，其特征在于：包括计算机(11)、驱动装置(10)、沿光线传播方向依次设置的CCD图像传感器(1)、显微目镜(2)、显微物镜(3)、光学补偿板(4)、分光板(5)和用于放置待测物体(7)的工作台(8)，所述驱动装置(10)用于驱动工作台(8)在光线传播方向上作等距位移的直线运动，所述光学补偿板(4)和分光板(5)朝向显微物镜(3)的上表面均复合有半透半反膜(12)，所述计算机(11)的输出端连接至驱动装置(10)的信号输入端，所述CCD图像传感器(1)的信号输出端连接至计算机(11)的输入端，所述计算机(11)用于通过三维形貌分析软件，再现待测物体(7)朝向分光板(5)的表面的三维形貌。
2.根据权利要求1所述的一种白光干涉三维形貌再现装置，其特征在于：所述白光干涉三维形貌再现装置还包括限位块(6)，所述驱动装置(10)为步进电机，所述限位块(6)以及驱动装置(10)的机座均在安装位置上固定不动；所述工作台(8)上螺纹连接有丝杠(82)，所述丝杠(82)和显微物镜(3)的中心轴线平行设置，所述丝杠(82)同轴固定于驱动装置(10)的输出转轴(9)上，所述工作台(8)的一侧设有贴靠于限位块(6)上的限位平面。
3.根据权利要求2所述的一种白光干涉三维形貌再现装置，其特征在于：所述工作台(8)的下面固定有固定金属块(81)，所述固定金属块(81)的下部设有第一螺纹孔，所述丝杠(82)螺纹连接于第一螺纹孔中。
4.根据权利要求2或3所述的一种白光干涉三维形貌再现装置，其特征在于：所述丝杠(82)通过联轴器连接所述输出转轴(9)。
5.根据权利要求2或3所述的一种白光干涉三维形貌再现装置，其特征在于：所述丝杠(82)朝向驱动装置(10)的端部设有第二螺纹孔，所述第二螺纹孔和丝杠(82)的中心轴线重合，所述第二螺纹孔与输出转轴(9)螺纹连接，所述丝杠(82)的一侧设有连通第二螺纹孔的螺钉孔，所述螺钉孔中螺纹连接有用于压靠于所述输出转轴(9)一侧的固定螺丝(83)。
6.根据权利要求1所述的一种白光干涉三维形貌再现装置，其特征在于：所述白光干涉三维形貌再现装置还包括显微镜本体，所述显微目镜(2)和显微物镜(3)安装于显微镜本体的镜筒中，所述光学补偿板(4)和分光板(5)安装于显微镜本体的镜筒下部。
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