CN107796330B - 一种白光干涉三维形貌测量光学系统 - Google Patents
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Abstract
发明所提供的白光干涉三维形貌测量光学系统，包括宽谱段光源、投影照明镜组、分光镜、标准反射镜、第一方位调整器、第二方位调整器、直线驱动器、测量镜组及探测器阵列；宽谱段光源发出宽谱段照明光，经投影照明镜组后，投射至被测物体表面和标准反射镜表面；两处的反射光经分光镜合束后形成空间干涉光场，入射至测量镜组中，被投影到光电探测器上。本发明白光干涉三维形貌测量光学系统，能成像获得携带目标物形貌信息的干涉图像，能实时记录和观测目标物的干涉图像，从而为获得被测物体的物体三维形貌信息和二维图像信息提供数据基础。
Description
技术领域
本发明涉及干涉测量应用技术领域，特别是涉及一种白光干涉三维形貌测量光学系统。
背景技术
随着微纳技术的蓬勃发展，加工对象也正向着更小、更精的方向延伸，伴随而来的是如何对微纳结构进行三维精确测量。现有技术中，由于白光干涉仪可以对陡峭的微观阶梯进行高精度测量，因而使其成为了微纳结构测量的重要工具。现有的白光干涉仪多采用Linnik和Mirau结构形式，这种结构形式可以很好地获得被测目标三维高精度测量信息，但也存在着工作视场小、工作距离短、被测目标不能有效标注等诸多问题。大视场白光干涉仪多采用Michelson结构形式，但由于测量镜组采用望远结构，将成像像面设定为无穷远，因而丧失了对被测目标的成像观测能力。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中工作视场小、工作距离短、被测目标不能有效标注，从而无法实现对被测目标的成像观测能力的技术问题，提供一种白光干涉三维形貌测量光学系统，能够成像获得携带目标物形貌信息的干涉图像。
本发明提供一种实施例的白光干涉三维形貌测量光学系统，包括宽谱段光源、投影照明镜组、分光镜、标准反射镜、第一方位调整器、第二方位调整器、直线驱动器、测量镜组及探测器阵列；
所述投影照明镜组位于分光镜的Z轴负方向上，并与所述Z轴垂直；
所述标准反射镜位于所述分光镜的Z轴正方向上，所述第一方位调整器驱动连接所述标准反射镜，用于调整标准反射镜面与Z轴的夹角；
所述第二方位调整器用于放置被测物体，所述被测物体表面与分光镜的反射面相对，被测物体位于分光镜的X轴负方向上；
所述测量镜组位于所述分光镜的X轴正方向上，其光轴与X轴重合；
探测器阵列位于测量镜组的后焦平面上，用于接收测量镜组投影过来的物像；
所述直线驱动器与所述被测物体驱动连接，用于驱动被测物体沿X轴移动。
宽谱段光源发出宽谱段照明光，经投影照明镜组后，投射至被测物体表面和标准反射镜表面，两处的反射光经分光镜合束后形成空间干涉光场，入射至测量镜组中，被投影到光电探测器上。
其中，以分光镜的中心为原点建立三维直角坐标系，以宽谱段光源入射到分光镜的光轴方向为Z轴的正方向，以宽谱段光源入射到分光镜后经反射出的光轴方向为X轴负方向。
在所述投影照明镜组的入射侧的光轴上还设有对比图样发生器，所述宽谱段光源发出宽谱段照明光经对比图样发生器投射或反射后传入所述投影照明镜组中。
所述宽谱段光源针对对比图样发生器的照明方式为背面照明方式、迎面照明方式或倾斜照明方式。
所述分光镜为分光正四棱柱，所述分光正四棱柱的第一表面、第二表面垂直于所述投影照明镜组的中心光轴，第三表面、第四表面垂直于所述测量镜组的光轴方向。
所述标准反射镜可沿其所在光路方向移动。
所述分光镜的投射面与所述标准反射镜之间设有光强衰减片及补偿镜，用于对干涉光光强和波前相位进行调制。
所述探测器阵列为CCD元件阵列、CMOS元件阵列或者APD元件阵列。
所述标准反射镜在测量过程中是固定的，所述直线驱动器驱动被测物体沿所在光轴方向移动，移动范围小于系统量程。
测量镜组可以为通用测量镜组、显微测量镜组或远心测量镜组。
所述投影照明镜组与分光镜的入射面之间设有滤光片，所述滤光片滤光范围涵盖电磁波的紫外波段、可见光波段、近红外波段、中红外波段和远红外波段。
本发明的技术方案与现有技术相比，有益效果在于：本发明白光干涉三维形貌测量光学系统，能成像获得携带目标物形貌信息的干涉图像，能实时记录和观测目标物的干涉图像，从而为解算被测目标的三维形貌信息提供数据技术，并同时获取被测目标的高清二维图像。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种白光干涉三维形貌测量光学系统的示意图。
图2为本发明另一实施例提供的一种白光干涉三维形貌测量光学系统的示意图。
101-宽谱段光源、102-投影照明镜组、103-分光镜、104-标准反射镜、105-测量镜组、106-探测器阵列、107-第一方位调整器、108-第二方位调整器、109-直线驱动器、110-被测物体、111-滤光片、112-光强衰减片、113-第一补偿镜、114-第二补偿镜、115-对比图样发生器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明提供一种实施例的白光干涉三维形貌测量光学系统，包括宽谱段光源101、投影照明镜组102、分光镜103、标准反射镜104、第一方位调整器107、第二方位调整器108、直线驱动器109、测量镜组105及探测器阵列106；
所述投影照明镜组102位于分光镜103的入射面的入射光轴上，并与所述入射光轴垂直；
所述标准反射镜104位于所述分光镜103的投射面的透射光轴上，所述第一方位调整器107驱动连接所述标准反射镜104，用于调整标准反射镜面与所述投射光轴的夹角；
所述第二方位调整器108用于放置被测物体110，所述被测物体110表面与分光镜103的反射面相对，被测物体110位于分光镜103的反射面的反射光轴上；
所述测量镜组105位于所述分光镜103的干涉面的干涉光轴上，并与所述干涉光轴垂直；
探测器阵列106位于测量镜组105的后焦平面上，用于接收测量镜组105投影过来的物像；
所述直线驱动器109与所述被测物体110驱动连接，用于驱动被测物体110沿反射光轴移动。
宽谱段光源101发出宽谱段照明光，经投影照明镜组102后，投射至被测物体110表面和标准反射镜104表面，两处的反射光经分光镜合束后形成空间干涉光场，入射至测量镜组105中，被投影到探测器阵列106上。
投影照明镜组102和测量镜组105是由透镜组成的光学组件，其中投影照明镜组102用于接收光源光照，分光镜103位于投影照明镜组的像空间，其中标准反射镜104和第被测物体110分别处于由测量镜组105和分光镜103组成的光学系统的焦平面附近，使光源的光线中透射的部分光和反射的部分光分别照射到标准反射镜104和被测物体110上。
本实施例白光干涉三维形貌测量光学系统中，由投影照明镜组102接收宽谱段光源101发出的光，光线经过分光镜103，一部分进行透射，另一部分进行反射，透射光照射到标准反射镜104，反射后返回到分光镜103被反射出；反射光照射到被测物体110，反射后返回到分光镜103被透射出，标准反射镜104到分光镜103的距离固定，被测物体110可沿其所在光路方向移动或固定倾斜放置，通过移动被测物体110调整两路光之间的光程差；由分光镜103反射出的光和透射出的光汇合发生干涉，经测量镜组105将干涉光汇聚到探测器阵列106，由探测器阵列106接收和记录，从而成像获得携带目标物形貌信息的干涉图像。
请参考图1，为本实施例提供的一种白光干涉三维形貌测量光学系统的示意图，所述宽谱段光源101发出宽谱段光源，经过所述投影照明镜组102投射到分光镜103中。投影照明镜组102由透镜组成，应用中可以根据具体的使用需求，光学镜面的直径、正反面的曲率半径、中心厚度、位置关系等；当为常规平行光照明时，投影照明镜组102将光源101发出的照明光线调制成平行光射出；当以对比图样发生器115作为照明光源时，投影照明镜组102与分光镜103组合形成投影系统，将对比图样发生器115的图案投影到标准平面反射镜和被测物体上。
分光镜103位于投影照明镜组102的像空间。所述分光镜103透射部分像光形成一路透射光，反射部分像光形成另一路反射光。请参考图1所示，本实施例描述中以分光镜103的中心为原点建立三维直角坐标系，以像光经分光镜103透射的方向为Z轴方向，以像光经分光镜103反射的方向为X轴方向，Y轴垂直于Z轴及X轴。
标准反射镜104位于Z轴上，其镜面垂直于Z轴。经分光镜103透射的部分光照射到标准反射镜104，经标准反射镜104反射后，返回到分光镜103中形成参考图样。其中，标准反射镜104位于由测量镜组105和分光镜103组成的光学系统的焦平面上。
进一步地，所述第一方位调整器107可用于调整标准反射镜104的方位，即调整标准反射镜104所在平面与XOZ平面及XOY平面的夹角。作为本实施例的进一步改进，所述标准反射镜104也可沿其所在光路方向移动。
被测物体110位于X轴上，其被测物体110的表面垂直于X轴。经分光镜103反射的部分光照射到被测物体110上，经被测物体110的表面反射后，返回到分光镜103中。其中，被测物体110位于由投影照明镜组102和分光镜103组成的光学系统的焦平面上。
进一步地，所述第二方位调整器108可用于调整被测物体110所在平面与XOZ平面及XOY平面的夹角；同时所述直线驱动器109可用于驱动所述被测物体110沿所在光轴方向直线移动。所述标准反射镜104在测量过程中是固定的，所述直线驱动器109驱动被测物体110沿所在光轴方向移动，移动范围小于系统量程。
本实施例中，优选为所述分光镜103对光的透过率和反射率的比值近似于1:1，使分成两路光光强度均匀一致，使形成的干涉图像清晰，对比度高。由于本光学系统对一定光谱带宽内的光进行处理，因此所述分光镜103要求在本光学系统的整个光谱带宽内具有较好的分光特性，能达到1:1分光特性。
优选的，所述分光镜103朝向所述投影照明镜组102一面的通光孔径大于或等于所述投影照明镜组102朝向分光镜一侧的通光孔径，这样可以保证，投影照明镜组102的出射光能够全部进入分光镜103。
由分光镜103反射出的光和透射出的光汇合发生干涉，干涉光经测量镜组105汇聚到所述光探测器阵列106。所述分光镜103朝向所述测量镜组105一面的通光孔径小于或等于所述测量镜组105朝向所述分光镜103一侧的通光孔径，这样可以保证干涉光全部通过测量镜组105，减小系统的光通量损失。
所述分光镜103可采用分光棱镜，所述分光棱镜优选为正四棱柱。分光棱镜的中心位于投影照明镜组102的光轴上，所述分光棱镜的第一表面垂直于所述投影照明镜组102的光轴方向，第二表面垂直于照射在所述标准反射镜104的透射光的传播方向，第三表面垂直于照射在所述被测物体110的反射光的传播方向，第四表面垂直于所述测量镜组105的光轴方向。
本实施例分光棱镜在对角面上设置有多层分光膜层，通过分光膜层实现对入射光的分光作用，所述分光棱镜可采用消偏振分光棱镜或者偏振分光棱镜。
优选的，在本实施例白光干涉三维形貌测量光学系统的一种具体实施方式中，可在投影照明镜组102与分光镜的入射面之间设置具有预设带通范围的滤光片111，通过滤光片111控制宽谱段光源101光通过的波段范围。在应用中，可以根据具体使用需求设置滤光片111的带通范围。本实施例中所述滤光片111的带通范围可以涵盖紫外光谱段、可见光谱段、红外光谱段等全谱段范围。并且优选的，滤光片111在其带通范围内具有较高的光学透过率，可以减少光能损失。
进一步地，结合图2所示，本实施例中，所述白光干涉三维形貌测量光学系统还包括一对比图样发生器115，所述对比图样发生器115设置在所述投影照明镜组102的入射侧，所述宽谱段光源101发出宽谱段照明光经对比图样发生器115投射或反射后传入所述投影照明镜组102中。所述宽谱段光源101针对对比图样发生器115的照明方式可以为背面照明方式、迎面照明方式或倾斜照明方式。
对比图样发生器115用于生成对比图样，对比图样发生器115将宽谱段光源101发出的光透射或反射，对比图样发生器115与被测物体110呈物象对应关系，对比图样发生器115的出射光被投影照明镜组102和分光镜103投影到被测物体110平面和标准反射镜104上；两处的反射光经分光镜103合束后形成空间干涉光场，入射至测量镜组105中，被投影到探测器阵列106上。
本实施例中，该固定标准反射镜104的镜面要具有较高面形精度，避免为干涉图像引入相位误差，其面形精度最好优于直线驱动器的位移精度。进一步的，该固定反射镜的平均反射率要尽可能高，以保证光学系统的光通量损失较小。
进一步地，到分光镜103距离固定的反射镜的镜面面积要大于由所述投影照明镜组102和所述分光镜103组成的光学系统形成的出射光在该反射镜镜面上形成的投影面面积，保证使参考图样完整的反射到所述分光镜103中。
更进一步地，照明系统101的光学谱段范围应大于带通范围大于带通滤光片111的光谱段范围Δλ(Δλ即为本光学系统的工作光谱范围)。
由分光镜103反射出的光和透射出的光汇合发生干涉，干涉光经测量镜组105汇聚到所述探测器阵列106。所述探测器阵列106位于所述测量镜组105的后焦平面上，使干涉图像成像到探测器阵列上，保证获得干涉图像清晰。
测量镜组105透射光光谱带宽应大于本光学系统的光谱段范围Δλ，探测器阵列106的光谱带宽应大于本光学系统的光谱段范围Δλ。另外，探测器阵列106的频率应根据系统的实际应用要求而定。所述探测器阵列106可以是CCD元件阵列、CMOS元件阵列或者APD(雪崩二极管)元件阵列，其构型可以为线阵探测器、面阵探测器或者单点探测器等形式。
本实施例白光干涉三维形貌测量光学系统，投影照明镜组102可以是纯透射式、纯反射式或透返结合式光学透镜组。投影照明镜组102可以为单孔径透镜组或多孔径透镜组，可以是普通透镜组、像方远心透镜组、物方远心透镜组、像方物方双远心透镜组等结构形式。
测量镜组105可以是纯透射式、纯反射式或透返结合式光学透镜组。可以为普通透镜组、像方远心透镜组、物方远心透镜组、像方物方双远心透镜组等结构形式。
所述标准反射镜104可以采用平面反射镜、凸面、凹面、非球面、自由曲面等各种类型的反射镜。
更进一步地，为了进一步增强对干涉光光强和波前相位进行调制，所述分光镜103的透射面与所述标准反射镜104之间设有光强衰减片112及第一补偿镜113，所述分光镜103的反射面与所述被测物体110之间设有第二补偿镜114。
由上述技术方案可知，本发明所提供的白光干涉三维形貌测量光学系统，包括宽谱段光源101、投影照明镜组102、分光镜103、标准反射镜104、第一方位调整器107、第二方位调整器108、直线驱动器109、测量镜组105及探测器阵列106。宽谱段光源101的光线经过分光镜103，一部分透射一部分反射，透射光照射到标准反射镜104上，反射后返回到分光镜被反射出形成参考光束，反射光照射到被测物体110上，反射后返回到分光镜被透射出；由分光镜103反射出的光和透射出的光汇合发生干涉，经测量镜组105将干涉光汇聚到探测器阵列106，由探测器阵列106接收和记录，从而成像获得携带目标物形貌信息的干涉图像。
本实施例白光干涉三维形貌测量光学系统，能成像获得携带目标物形貌信息的干涉图像，能实时记录和观测目标物的干涉图像，其光学视场大，光通量高，形貌测量精度高，工作距离大，整体系统简单，可靠性高。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (10)
1.一种白光干涉三维形貌测量光学系统，其特征在于：包括宽谱段光源、投影照明镜组、分光镜、标准反射镜、第一方位调整器、第二方位调整器、直线驱动器、测量镜组及探测器阵列；
所述投影照明镜组位于分光镜的Z轴负方向上，并与所述Z轴垂直；
所述标准反射镜位于所述分光镜的Z轴正方向上，所述第一方位调整器驱动连接所述标准反射镜，用于调整标准反射镜面与Z轴的夹角；
所述第二方位调整器用于放置被测物体，所述被测物体表面与分光镜的反射面相对，被测物体位于分光镜的X轴负方向上；
所述测量镜组位于所述分光镜的X轴正方向上，其光轴与X轴重合；
探测器阵列位于测量镜组的后焦平面上，用于接收测量镜组投影过来的物像；
所述直线驱动器与所述被测物体驱动连接，用于驱动被测物体沿X轴移动；
宽谱段光源发出宽谱段照明光，经投影照明镜组后，投射至被测物体表面和标准反射镜表面，两处的反射光经分光镜合束后形成空间干涉光场，入射至测量镜组中，被投影到光电探测器上；
其中，以分光镜的中心为原点建立三维直角坐标系，以宽谱段光源入射到分光镜的光轴方向为Z轴正方向，以宽谱段光源入射到分光镜后经反射出的光轴方向为X轴负方向。
2.根据权利要求1所述的白光干涉三维形貌测量光学系统，其特征在于：在所述投影照明镜组的入射侧的光轴上还设有对比图样发生器，所述宽谱段光源发出宽谱段照明光经对比图样发生器投射或反射后传入所述投影照明镜组中。
3.根据权利要求2所述的白光干涉三维形貌测量光学系统，其特征在于：所述宽谱段光源针对对比图样发生器的照明方式为背面照明方式、迎面照明方式或倾斜照明方式。
4.根据权利要求1所述的白光干涉三维形貌测量光学系统，其特征在于：所述分光镜为分光正四棱柱，所述分光正四棱柱的第一表面、第三表面垂直于所述投影照明镜组的中心光轴，第二表面、第四表面垂直于所述测量镜组的光轴方向。
5.根据权利要求1所述的白光干涉三维形貌测量光学系统，其特征在于：所述标准反射镜可沿其所在光路方向移动。
6.根据权利要求1所述的白光干涉三维形貌测量光学系统，其特征在于：所述分光镜的投射面与所述标准反射镜之间设有光强衰减片及补偿镜，用于对干涉光光强和波前相位进行调制。
7.根据权利要求1所述的白光干涉三维形貌测量光学系统，其特征在于：所述探测器阵列为CCD元件阵列、CMOS元件阵列或者APD元件阵列。
8.根据权利要1所述的白光干涉三维形貌测量光学系统，其特征在于：所述标准反射镜在测量过程中是固定的，所述直线驱动器驱动被测物体沿所在光轴方向移动，移动范围小于系统量程。
9.根据权利要求1所述的白光干涉三维形貌测量光学系统，其特征在于：测量镜组可以为通用测量镜组、显微测量镜组或远心测量镜组。
10.根据权利要求1所述的白光干涉三维形貌测量光学系统，其特征在于：所述投影照明镜组与分光镜的入射面之间设有滤光片，所述滤光片滤光范围涵盖电磁波的紫外波段、可见光波段、近红外波段、中红外波段和远红外波段。
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