CN107702661A - 一种白光自干涉表面检测仪 - Google Patents

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李志芳
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Abstract

本发明公开了一种白光自干涉表面检测仪，包括载物台以及设置于载物台上的显微镜光路和成像光路；所述显微镜光路由上至下依次包括科勒照明系统光源、孔径光阑、分光棱镜和物镜，所述孔径光阑上设有随机分布的阵列针孔；所述成像光路由外至内依次包括CCD、傅里叶变换镜头、纯位相液晶光阀和望远透镜；所述显微镜光路的光轴与载物台垂直，所述成像光路的光轴与显微镜光路的光轴垂直，且显微镜光路的光轴与成像光路的光轴的交点在分光棱镜的分光面上。本发明结构简单、抗干扰抗震性能更高、只需四次成像后处理简单，具有更好的成像效果和更高的分辨率。

Description

一种白光自干涉表面检测仪
技术领域
本发明涉及检测仪器技术领域，尤其涉及一种白光自干涉表面检测仪。
背景技术
表面精密度检测在现代制造行业中具有重大的意义，表面精密检测技术广泛应用于塑化工业、造纸及纤维工业、电子工业、金属工业等领域，例如在高精度轴承、钢珠、透明薄膜、半透明材料等制造过程中，表面精密度检测至关重要。
现有技术中，最具代表性的白光干涉测量表面轮廓的仪器是ZYGO的3D光学表面轮廓仪，这个仪器的特点在于采用双光路白光干涉，其垂直方向分辨率由白光的光谱宽度或时间相干性决定，其在垂直方向上需要高精度压电平台做多次成像即扫描。以获得各个像素点不同深度的白光干涉光强，最后依靠算法找到每个像素点的干涉光强最大点，该点即对应表面轮廓的高度或深度。但这个仪器的缺点在于：
1.采用双光路白光干涉，系统整体的机械平台抗震性要求高，需保证多幅图像逐像素点对齐；
2.两束干涉光的光强不能针对不同情况做适应性调整，这影响了干涉的对比度和测量精度；
3.装置复杂度高，垂直方向设置高精度的步进电控升降装置作为垂直扫描系统，甚至还需要配置闭环反馈系统；以获得次纳米级垂直方向分辨率；
4.需要反复数百次以上成像扫描；
5.后续需要处理多张CCD图像，算法较为复杂；
6.干涉仪需要设计专用的物镜以获得干涉成像用的直射光和散射光。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种白光自干涉表面检测仪，能够解决上述技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种白光自干涉表面检测仪，包括载物台以及设置于载物台上的显微镜光路和成像光路；所述显微镜光路由上至下依次包括科勒照明系统光源、孔径光阑、分光棱镜和物镜，所述孔径光阑上设有随机分布的阵列针孔；所述成像光路由外至内依次包括CCD、傅里叶变换镜头、纯位相液晶光阀和望远透镜；所述显微镜光路的光轴与载物台垂直，所述成像光路的光轴与显微镜光路的光轴垂直，且显微镜光路的光轴与成像光路的光轴的交点在分光棱镜的分光面上。
本发明的有益效果在于：本发明采用反射式显微镜光路系统，对孔径光阑上随机分布的阵列针孔在液晶面的共轭像，利用纯位相光栅衍射分光可得到自干涉的直射光和散射光。这种单光路自干涉的结构相比于现有技术而言具有更好的抗震抗干扰性能；相比于现有技术中的环孔式孔径光阑，本发明的阵列针孔式的孔径光阑还可以改善表面轮廓梯度较大的局部区域的成像的边晕效应；在液晶光阀面上显示数字二元位相光栅和闪耀光栅，可通过改变液晶光阀的电压来调节数字二元位相光栅的高低位相差和闪耀光栅的闪耀角，依据实际情况对直射光和散射光的强度做适应性调整，从而调整图像的对比度，以提高分辨精度；本发明通过调节液晶光阀可将直射光和散射光的相位差分别设为0、π/2、π、3π/2，只需四次成像即可算出表面轮廓，因此垂直方向无需高精度步进升降台，后期图像处理也只需简单的数学计算和位相解包裹运算；本发明具备亚纳米的表面检测能力，不需要像ZYGO的表面检测仪一样设计专门的物镜。
附图说明
图1为本发明实施例的白光自干涉表面检测仪的系统结构示意图；
图2为孔径光阑的阵列针孔的结构示意图；
图3为纯位相液晶光阀上显示的位相灰度图；
图4为数字二元位相光栅的剖面图；
图5为闪耀光栅的剖面图；
图6为卤素灯的白光光谱；
图7为白光光谱对应的自相关函数图；
标号说明：
101、CCD；102、傅里叶变换镜头；103、纯位相液晶光阀；104、电脑；105、第三望远透镜；106、分划板；107、第四望远透镜；108、载物台；
109、物镜；110、分光棱镜；111、消光纸；112、第二望远透镜；113、第一望远透镜；114、孔径光阑；115、视野光阑；116、集光镜；117、起偏片；118、磨砂片；119、卤素灯灯丝；120、检偏片。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于:在显微镜光路设置孔径光阑114和分光棱镜110，孔径光阑114上设有随机分布的阵列针孔；成像光路的傅里叶面上设置纯位相液晶光阀103。
请参照图1以及图2，一种白光自干涉表面检测仪，包括载物台108以及设置于载物台108上的显微镜光路和成像光路；所述显微镜光路由上至下依次包括科勒照明系统光源、孔径光阑114、分光棱镜110和物镜109，所述孔径光阑114上设有随机分布的阵列针孔；所述成像光路由外至内依次包括CCD101、傅里叶变换镜头102、纯位相液晶光阀103和望远透镜；所述显微镜光路的光轴与载物台108垂直，所述成像光路的光轴与显微镜光路的光轴垂直，且显微镜光路的光轴与成像光路的光轴的交点在分光棱镜110的分光面上。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明采用反射式显微镜光路系统，对孔径光阑上随机分布的阵列针孔在液晶面的共轭像，利用纯位相光栅衍射分光可得到自干涉的直射光和散射光。这种单光路自干涉的结构相比于现有技术而言具有更好的抗震抗干扰性能；相比于现有技术中的环孔式孔径光阑，本发明的阵列针孔式的孔径光阑还可以改善表面轮廓梯度较大的局部区域的成像的边晕效应；在液晶光阀面上显示数字二元位相光栅和闪耀光栅，可通过改变液晶光阀的电压来调节数字二元位相光栅的高低位相差和闪耀光栅的闪耀角，依据实际情况对直射光和散射光的强度做适应性调整，从而调整图像的对比度，以提高分辨精度；本发明通过调节液晶光阀可将直射光和散射光的相位差分别设为0、π/2、π、3π/2，只需四次成像即可算出表面轮廓，因此垂直方向无需高精度步进升降台，后期图像处理也只需简单的数学计算和位相解包裹运算；本发明具备亚纳米的表面检测能力，不需要像ZYGO的表面检测仪一样设计专门的物镜。
进一步的，所述科勒照明系统光源包括依次设置的卤素灯灯丝119、磨砂片118和起偏片117，所述卤素灯灯丝119连接于可调电压。
由上述描述可知，卤素灯灯丝的亮度由电压控制可调，卤素光源中心波长为576nm；在卤素灯灯丝的前面设置磨砂片可使光场相干性减弱且光强分布均匀；磨砂片前叠放起偏片，使入射样本的光为p偏光。
进一步的，所述分光棱镜110为宽带分光棱镜。
进一步的，所述纯位相液晶光阀103为纯位相电寻址PAL型液晶光阀，所述液晶光阀103连接于电脑104，由电脑104控制其显示内容。
进一步的，所述科勒照明系统光源和孔径光阑114之间还设置有集光镜116，所述孔径光阑114位于所述集光镜116的后焦面上，且所述孔径光阑114与所述物镜109的后焦面共轭。
进一步的，所述孔径光阑114和分光棱镜110之间还设置有视野光阑115和聚光镜，所述视野光阑115设置于所述聚光镜的前焦面上。
由上述描述可知，通过旋转所述视野光阑可调整整个仪器的视野大小。
进一步的，所述载物台108设置于六维调整台上。
由上述描述可知，在拍摄成像前，将样本放置于载物台上，六维调整台可调整样本检测区域对焦、与光轴垂直或不倾斜。
进一步的，所述成像光路设置于所述分光棱镜110的左侧，所述分光棱镜110的右侧壁上贴有消光纸111。
由上述描述可知，所述消光纸可用于消除多余的杂光。
进一步的，所述CCD101以及所述傅里叶变换镜头102的光路光轴倾斜，且与所述纯位相液晶光阀显示的光栅的一次光方向对齐。
进一步的，所述物镜为无限远平场消色差物镜，所述物镜的放大倍数为10x、20x或40x，所述物镜的数值孔径在0.3-0.85之间。
实施例一
请参照图1，本发明的实施例一为：一种白光自干涉表面检测仪，包括载物台108、显微镜光路和成像光路，所述载物台108下连接有一个六维调整台，用于调整表面样本检测区域对焦、使样本面与显微镜光路的光轴垂直。所述显微镜光路设置于载物台108的上面，所述成像光路居于显微镜的左侧，所述显微镜光路的光轴与载物台108垂直，所述显微镜光路的光轴与成像光路的光轴垂直。
所述显微镜光路由上至下依次包括科勒照明系统光源、集光镜116、孔径光阑114、第一望远透镜113、视野光阑115、第二望远透镜112、分光棱镜110和物镜109。所述科勒照明系统包括依次设置的卤素灯灯丝119、磨砂片118和起偏片117，所述卤素灯灯丝119其亮度由电压可调控制，所述磨砂片118使光场空间相干性减弱且光强分布均匀。所述磨砂片前叠放起偏片117，使入射样本的光为p偏光。所述集光镜116可为三片式集光镜；如图2所示，所述孔径光阑114上设有随机分布的阵列针孔，孔径光阑114位于所述集光镜116的后焦面上，所述孔径光阑114与物镜的后焦面共轭，保证系统的照明方式为科勒照明，所述孔径光阑114设为可选择片状插入式。所述第一望远透镜113和第二望远透镜112构成4f系，镜片可为双胶合消色差镜片。所述视野光阑115设置于所述第二望远透镜112的前焦面上，用于调整系统的视野大小。所述分光棱镜110选用直角宽带分光棱镜，能够把光分为相垂直的两束且不影响反射光中的直射光和散射光的相位差。所述物镜109可选择10x，20x,40x的低放大倍数，数值孔径在0.3-0.85之间的无限远平场消色差物镜，不同的物镜109可相应的配置不同阵列针孔的孔径光阑114。
所述成像光路设置于所述分光棱镜110的左侧，所述分光棱镜110的右侧壁上贴有消光纸111，可消除多余的杂光。所述分光棱镜110用于收集样本检测表面的反射光(包括直射光和散射光)，并将之送到成像光路的液晶光阀103上进行处理和成像。所述成像光路的光轴与所述显微镜光路的光轴的交点在分光棱镜110的分光面上。所述成像光路由外至内依次包括CCD101、傅里叶变换镜头102、纯位相液晶光阀103、检偏片120、第三望远透镜105和第四望远透镜107。所述第三望远透镜105和第四望远透镜107构成一个4f系。所述第四望远透镜107的前焦面以及载物台108上均可设置分划板106，帮助对焦对齐。所述CCD101需要8bit以上，像素大小和物镜分辨率搭配，则成像精度越高。所述纯位相液晶光阀103为纯位相电寻址PAL型液晶光阀，像素尺寸8微米。所述液晶光阀103连接于电脑104，由电脑104控制其显示内容。如图3所示，孔径光阑114的阵列针孔会在纯位相液晶光阀103面即傅里叶面上成相应的共轭像，其中阵列针孔的共轭像即直射光的位置使用数字二元位相光栅衍射分光，数字二元位相光栅上的灰度可变以适应性调节一次光方向上的直射光光强；阵列针孔的共轭像的周围即散射光的位置使用闪耀光栅衍射分光，闪耀光栅相比数字二元位相光栅具有更高的衍射效率，可以提高CCD101面上相对直射光较弱的散射光光强。阵列针孔在纯位相液晶光阀103上的像的大小可取20-40个像素为宜，由系统的放大倍数可确定针孔的具体大小。通过这样的光栅使用方式不仅可以获得相位差不同的直射光和散射光，更重要的是可以适应性调整参与成像的直射光与散射光的比例，使自干涉取得最好的成像效果。此外，CCD101及傅里叶变换透镜的光路光轴需略做倾斜同时显微镜视野尽量缩小，且与纯位相液晶光阀103显示的光栅的一次光方向对齐。保证CCD101面上的直射光和散射光的光强均由0起可调。CCD101前可插入挡光片挡住零次光，保证CCD101只接收两个光栅衍射过来的一次光。
图4所示为数字二元位相光栅的水平方向的剖面图，该光栅位于阵列针孔的共轭像位置上，它可以衍射一定量的直射光到一次光的位置上，与散射光相干涉成像。通过改变光栅的高低位相差可以调节直射光的衍射效率，变化范围由0到40％。图5所示为闪耀光栅的水平方向的剖面图，阵列针孔周围区域即散射光区域使用闪耀光栅，利用闪耀光栅的高衍射效率可提高通常较弱的参与成像的散射光光强。在不改变光栅周期的前提下，通过改变闪耀角度可以灵活调节衍射效率，变化范围为0到80％。通过灵活调节CCD101面上直射光和散射光的强度，提高了干涉成像的对比度。具体成像时可先将图4的a值设为π/2，这样直射光与散射光之间就有π/2的相位差，通过调节闪耀光栅的闪耀角度和数字二元位相光栅的高低位相差，调整好图像的对比度，拍摄一张图像；然后将附图4的a值改为0，π，3π/2并保持图4的高低相位差获得另外三张图像。图6为卤素灯的白光光谱图，图7为卤素灯的白光光谱对应的自相关函数，即干涉光强随相位差的变化波形，将获得的四张图像结合图6和图7即可进行表面轮廓的计算。
综上所述，本发明提供的白光自干涉表面检测仪具有更好的抗震抗干扰性能，阵列针孔还可以改善表面轮廓梯度较大的局部区域的成像的边晕效应；只需四次成像即可计算出表面轮廓，使后续计算和处理更加简单，也无需在垂直方向上设置高精度步进升降台，无需设计专用物镜，整体系统结构更加简单；纯位相液晶光阀103及纯位相光栅的灵活使用使得最后的成像结果上直射光和散射光的强度可以依据实际情况做适应性调制，从而提高了成像效果和垂直方向分辨率。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种白光自干涉表面检测仪，其特征在于，包括载物台以及设置于载物台上的显微镜光路和成像光路；所述显微镜光路由上至下依次包括科勒照明系统光源、孔径光阑、分光棱镜和物镜，所述孔径光阑上设有随机分布的阵列针孔；所述成像光路由外至内依次包括CCD、傅里叶变换镜头、纯位相液晶光阀和望远透镜；所述显微镜光路的光轴与载物台垂直，所述成像光路的光轴与显微镜光路的光轴垂直，且显微镜光路的光轴与成像光路的光轴的交点在分光棱镜的分光面上。
2.如权利要求1所述的白光自干涉表面检测仪，其特征在于，所述科勒照明系统光源包括依次设置的卤素灯灯丝、磨砂片和起偏片，所述卤素灯灯丝连接于可调电压。
3.如权利要求1所述的白光自干涉表面检测仪，其特征在于，所述分光棱镜为宽带分光棱镜。
4.如权利要求1所述的白光自干涉表面检测仪，其特征在于，所述纯位相液晶光阀为纯位相电寻址PAL型液晶光阀，所述液晶光阀连接于电脑，由电脑控制其显示内容。
5.如权利要求1所述的白光自干涉表面检测仪，其特征在于，所述科勒照明系统光源和孔径光阑之间还设置有集光镜，所述孔径光阑位于所述集光镜的后焦面上，且所述孔径光阑与所述物镜的后焦面共轭。
6.如权利要求1所述的白光自干涉表面检测仪，其特征在于，所述孔径光阑和分光棱镜之间还设置有视野光阑和聚光镜，所述视野光阑设置于所述聚光镜的前焦面上。
7.如权利要求1所述的白光自干涉表面检测仪，其特征在于，所述载物台设置于六维调整台上。
8.如权利要求1所述的白光自干涉表面检测仪，其特征在于，所述成像光路设置于所述分光棱镜的左侧，所述分光棱镜的右侧壁上贴有消光纸。
9.如权利要求1所述的白光自干涉表面检测仪，其特征在于，所述CCD以及所述傅里叶变换镜头的光路光轴倾斜，且与所述纯位相液晶光阀显示的光栅的一次光方向对齐。
10.如权利要求1所述的白光自干涉表面检测仪，其特征在于，所述物镜为无限远平场消色差物镜，所述物镜的放大倍数为10x、20x或40x，所述物镜的数值孔径在0.3-0.85之间。
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