CN108106561A - 线扫描表面形貌测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种线扫描表面形貌测量装置，包括光探测器阵列；照明光组件，用以产生照明光；投影组件，用以被所述照明光组件照射，将透过的光投射至运动台上的待测组件，从而使得透过的光经待测工件反射；双折射位移棱镜，用以通过探测镜组接收所述待测组件反射而来的光，进而通过折射分别形成寻常光和非常光；参考图形，用以使得寻常光和非常光均成像于参考图像所在平面，从而形成寻常光斑和非常光斑；光探测器阵列，用以探测透过所述参考图形的寻常光和非常光；所述待测对象上各被测点的高度通过所探测到的寻常光和非常光的信号确定。

Description

线扫描表面形貌测量装置
技术领域
本发明涉及工件测量领域，尤其涉及一种线扫描表面形貌测量装置。
背景技术
目前测量工件表面形貌的方案之一是：将按一定规律排列的测量图形投射在被测工件表面，形成测量光斑；测量光斑经待测工件表面反射后成像到绝对参考图形面；工件的表面形貌变化导致参考图形面上测量光斑相对于参考图形移动，透过参考图形的光通量也随之变化；根据光通量的变化可以反算出工件的微观形貌。
为避免光源的扰动给测量带来不确定性，该方案往往需要调制器，使测量光斑相对于参考图形做高频周期性运动；在一个周期内记录相位相差π的两个时刻的光通量，使之作差、作和，然后相除，最终得到与光源基本无关的归一化信号。
该种方法虽然避免了光源长期稳定性对测量结果的干扰，但无法避免光源在一个调制周期内对测量结果的干扰。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何消除光源扰动对形貌测量结果的干扰。
为了解决这一技术问题，本发明提供了一种线扫描表面形貌测量装置，包括光探测器阵列；
照明光组件，用以产生照明光；
投影组件，用以被所述照明光组件照射，将透过的光投射至运动台上的待测组件，从而使得透过的光经待测工件反射；
双折射位移棱镜，用以通过探测镜组接收所述待测组件反射而来的光，进而通过折射分别形成寻常光和非常光；
参考图形，用以使得寻常光和非常光均成像于参考图像所在平面，从而形成寻常光斑和非常光斑；
光探测器阵列，用以探测透过所述参考图形的寻常光和非常光；
所述待测对象上各被测点的高度通过所探测到的寻常光和非常光的信号确定。
可选的，所述照明光组件包括光源和照明镜组，所述光源发出的光经所述照明镜组照亮至所述投影组件。
可选的，所述投影组件包括投影标记和投影镜组，所述照明组件照射的光透过所述投影标记后，经过所述投影镜组投射到待测工件。
可选的，所述投影标记采用沿X方向排列的一排矩阵，从而使得所形成的寻常光斑和非常光斑分别沿X方向排布。
可选的，所述双折射位移棱镜包括两块光轴方向相同的楔形双折晶体，且两个所述楔形双折晶体的楔形面互相接合。
可选的，所述双折射位移棱镜的位置可调，进而通过位置的调整使得寻常光和非常光的相对偏移量为寻常光对应的一排所述参考图形与非常光对应的一排所述参考图形的间距。
可选的，所述参考图形具有两排，分别对应所述寻常光和非常光，每排中的参考图形均沿X方向排列。
可选的，相邻的所述参考图形间具有光通量归一化图形，对应的，所述投影组件具有光通量归一化标记，所述光通量归一化标记所形成的光斑落入所述光通量归一化图形的范围内。
可选的，被测点的高度经以下公式修正：
其中，Zc为修正后的高度，Z为修正前的高度，q为寻常光与非常光透过光通量归一化图形的光通量比值，q0为离线标定时，寻常光与非常光透过光通量归一化图形的光通量比值。
可选的，所述的线扫描表面形貌测量装置还包括能量收集镜组，透过所述参考图形的寻常光和非常光被所述能量收集镜组收集入射至所述光探测器阵列。
可选的，所述的线扫描表面形貌测量装置，还包括分波长棱镜，将被所述能量收集镜组收集的寻常光和非常光依据不同波长出射至不同的所述光探测器阵列，以不同所述光探测器阵列测得值的结果加权平均值作为测量值。
可选的，所述寻常光斑和非常光斑随着待测对象表面的高度增加而向上移动；所述寻常光斑和非常光斑随着待测对象表面的高度减小而向下移动。
可选的，随着待测对象表面高度的增加，透过所述寻常光对应的参考图形的光能量增加，透过非常光对应的参考图像的光能量减小；随着待测对象表面高度的减小，透过所述寻常光对应的参考图形的光能量减小，透过非常光对应的参考图像的光能量增加。
可选的，被测点的高度表示为：
其中，I0为寻常光信号，Ie为非常光信号，Z为被测点高度，k为光路结构相关的常数。
本发明不再采用信号调制，而在空间上使测量光斑分为两束，基于本发明所提供的照明光组件、投影组件、双折射位移棱镜、参考图形和光探测器阵列。只要两路信号采集的时间差足够端，即可消除光源扰动对测量结果的干扰。
附图说明
图1是本发明一可选实施例中线扫描表面形貌测量装置的示意图；
图2是本发明一可选实施例中投影标记的示意图；
图3是本发明一可选实施例中参考图形的示意图；
图4是本发明一可选实施例中工件处于测量装置零位的示意图；
图5是本发明一可选实施例中光探测器阵列的示意图；
图6是本发明另一可选实施例中线扫描表面形貌测量装置的示意图；
图7是本发明一可选实施例中长波通滤光膜和短波通滤光膜的示意图；
图8是本发明一可选实施例中光通量归一化标记和投影标记的示意图；
图9是本发明一可选实施例中光通量归一化图形和参考图形的示意图；
图中，1-光源；2-照明镜组；3-投影标记；4-投影镜组；5-待测工件；6-运动台；7-探测镜组；8-双折射位移棱镜；8a、8b-楔形双折射晶体；9-参考图形；9a-寻常光参考图形；9b-非常光参考图形；10-能量收集镜组；11-光探测器阵列；111、112-光探测器阵列；11a、11b、11c-光探测器阵列；12-分波长棱镜；12a-长波通滤光膜；12b-短波滤光膜；13a-寻常光光通量归一化图形；13b-非常光光通量归一化图形；14-光通量归一化标记。
具体实施方式
以下将结合图1至图9对本发明提供的线扫描表面形貌测量装置进行详细的描述，其为本发明可选的实施例，可以认为，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，对其进行修改和润色。
请综合参考图1和图6，本发明提供了一种线扫描表面形貌测量装置，包括光探测器阵列；
照明光组件，用以产生照明光；其中：
所述照明光组件包括光源1和照明镜组2，所述光源1发出的光经所述照明镜组2照亮至所述投影组件。
投影组件，用以被所述照明光组件照射，将透过的光投射至运动台6上的待测组件，从而使得透过的光经待测工件5反射；其中：
所述投影组件包括投影标记3和投影镜组4，所述照明组件照射的光透过所述投影标记3后，经过所述投影镜组4投射到待测工件5。
双折射位移棱镜8，用以通过探测镜组7接收所述待测组件反射而来的光，进而通过折射分别形成寻常光和非常光；
对于寻常光和非常光，可以理解为：
光从一个方向射入双折射位移棱镜8后会发生双折射现象，会形成两支偏光，垂直光轴振动的光叫寻常光，平行于入射方向和光轴所组成的平面振动的光叫非常光。
参考图形9，用以使得寻常光和非常光均成像于参考图像所在平面，从而形成寻常光斑和非常光斑；
光探测器阵列，用以探测透过所述参考图形9的寻常光和非常光；
所述待测对象上各被测点的高度通过所探测到的寻常光和非常光的信号确定。
所述的线扫描表面形貌测量装置还包括能量收集镜组10，透过所述参考图形9的寻常光和非常光被所述能量收集镜组10收集入射至所述光探测器阵列11。
可见，由光源1发出的光经照明镜组2照亮投影标记3上，透过投影标记3的光经投影镜组4投射到待测工件5上，待测工件5表面反射后经探测镜组7、双折射位移棱镜8后，成像到参考图形9所在平面，形成两组测量光斑，一组由寻常光(o光)形成，一组由非常光(e光)形成。透过参考图形9的寻常光、非常行光经能量收集镜组10分别被收集到光电探测器阵列的不同位置。
在本发明一可选的实施例中，
可选的，如图2所示，所述投影标记3采用沿X方向排列的一排矩阵(即图1中垂直于纸面方向排布)，从而使得所形成的寻常光斑和非常光斑分别沿X方向排布，从而使得每个光斑的X坐标不同，而Y坐标相同。如图3所示，所述参考图形9具有两排，分别对应所述寻常光和非常光，每排中的参考图形9均沿X方向排列。其中，参考图形9分为两排，其间距c>d，便于寻常光测量光斑和非常光测量光斑同时清晰的投影至参考图形所在平面。由于测量光斑均在X方向设置，可以测得相同Y坐标、不同X坐标的多点高度值。进一步通过运动台6的运动，扫描出整个工件的表面形貌。
针对所述双折射位移棱镜8，本发明可选的实施例中，所述双折射位移棱镜8包括两块光轴方向相同的楔形双折晶体，且两个所述楔形双折晶体的楔形面互相接合。其中的箭头表示晶体光轴方向。楔形双折晶体8a和8b可以沿图中虚线方向移动，使得其产生的o、e光相对偏移量等于c。即通过调整两个棱镜的相关位置，对寻常光和非常光之间的间距进行调整。
亦即：所述双折射位移棱镜8的位置可调，进而通过位置的调整使得寻常光和非常光的相对偏移量为寻常光对应的一排所述参考图形9与非常光对应的一排所述参考图形9的间距。
所述寻常光斑和非常光斑随着待测对象表面的高度升高而向上移动；所述寻常光斑和非常光斑随着待测对象表面的高度降低而向下移动。随着待测对象表面高度的升高，透过所述寻常光对应的参考图形9的光能量增大，透过非常光对应的参考图像9的光能量减小；随着待测对象表面高度的降低，透过所述寻常光对应的参考图形9的光能量减小，透过非常光对应的参考图像9的光能量增加。
进一步地，如图4所示，当被测物处于线扫描表面形貌测量装置的零位时，o、e光形成的两组测量光斑分别恰好与参考图形9重合一半。被测对象表面高度升高时，两组测量光斑均相对于参考图形9向上移动，则透过寻常光参考图形9a的光能量增大，透过非常光参考图形9b的能量减小。反之，被测对象表面高度下降时，两组测量光斑均相对于参考图形9向下移动，则透过寻常光参考图形9a的光能量减小，透过非常光参考图形9b的能量增大。因此，设寻常光信号为IO、非常光信号为Ie，则被测点的高度可以表示为：
其中k为与光路结构有关的常数，可以计算得出，亦可以通过标定获得。由上式可以看出，任何时刻，最终的测量值都与光通量无关，因为没有量纲。
请主要参见图8、9所示，相邻的所述参考图形9间具有光通量归一化图形，包括寻常光光通量归一化图形13a和非常光光通量归一化图形13b，这里的相邻，指的是一排参考图形9中光通量归一化图形，对应的，所述投影组件具有光通量归一化标记14，具体来说，相邻的所述投影标记3间具有光通量归一化标记14所述光通量归一化标记14所形成的光斑落入所述光通量归一化图形的范围内。
为避免因被测物表面材质不同，o、e光反射率不同带来的测量误差，在图8中加入了o、e光光通量归一化标记14。在图9中加入了o、e光通量归一化图形。这时，由o、e光光通量归一化标记14形成的两个o、e光光斑在全量范围内都能够落入o、e光通量归一化图形，如此透过o、e光通量归一化图形光通量比值q便与被测物高度无关，而只与被测物对o、e光的反射率差异有关。
进一步的，被测点的高度经以下公式修正：
其中，Zc为修正后的高度，Z为被测点的高度，q为寻常光与非常光透过光通量归一化图形的光通量比值，q0为离线标定时，寻常光与非常光透过光通量归一化图形的光通量比值。
请主要参见图6所示，本发明可选的实施例中，所述的线扫描表面形貌测量装置，还包括分波长棱镜12，将被所述能量收集镜组10收集的寻常光和非常光依据不同波长出射至不同的所述光探测器阵列11a、11b和11c，以不同所述光探测器阵列11a、11b和11c测得值的结果加权平均值作为测量值。
对于表面是具有一定透射强度的膜系结构被测物，不同波段的测量结果的置信度不同，因此需要为不同波段的测量结果施以不同的权重，从而获得更加合理的加权平均值：
不同波长的权重可以离线标定获得。
可见，透过参考图形9的寻常光、非常行光经能量收集镜组10、分波长棱镜12分别被收集到不同波段的光电探测器11a、11b和11c阵列的不同位置。其中，分波长棱镜中设有长波通滤光膜12a和短波通滤光膜12c，从而实现不同波段光的投射和折射。
综上所述，本发明不再采用信号调制，而在空间上使测量光斑分为两束，基于本发明所提供的照明光组件、投影组件、双折射位移棱镜、参考图形和光探测器阵列。只要两路信号采集的时间差足够端，即可消除光源扰动对测量结果的干扰。

Claims (14)

1.一种线扫描表面形貌测量装置，其特征在于：包括光探测器阵列；
照明光组件，用以产生照明光；
投影组件，用以被所述照明光组件照射，将透过的光投射至运动台上的待测组件，从而使得透过的光经待测工件反射；
双折射位移棱镜，用以通过探测镜组接收所述待测组件反射而来的光，进而通过折射分别形成寻常光和非常光；
参考图形，用以使得寻常光和非常光均成像于参考图像所在平面，从而形成寻常光斑和非常光斑；
光探测器阵列，用以探测透过所述参考图形的寻常光和非常光；
所述待测对象上各被测点的高度通过所探测到的寻常光和非常光的信号确定。
2.如权利要求1所述的线扫描表面形貌测量装置，其特征在于：所述照明光组件包括光源和照明镜组，所述光源发出的光经所述照明镜组照亮至所述投影组件。
3.如权利要求1所述的线扫描表面形貌测量装置，其特征在于：所述投影组件包括投影标记和投影镜组，所述照明组件照射的光透过所述投影标记后，经过所述投影镜组投射到待测工件。
4.如权利要求3所述的线扫描表面形貌测量装置，其特征在于：所述投影标记采用沿X方向排列的一排矩阵，从而使得所形成的寻常光斑和非常光斑分别沿X方向排布。
5.如权利要求1所述的线扫描表面形貌测量装置，其特征在于：所述双折射位移棱镜包括两块光轴方向相同的楔形双折晶体，且两个所述楔形双折晶体的楔形面互相接合。
6.如权利要求1所述的线扫描表面形貌测量装置，其特征在于：所述双折射位移棱镜的位置可调，进而通过位置的调整使得寻常光和非常光的相对偏移量为寻常光对应的一排所述参考图形与非常光对应的一排所述参考图形的间距。
7.如权利要求1所述的线扫描表面形貌测量装置，其特征在于：所述参考图形具有两排，分别对应所述寻常光和非常光，每排中的参考图形均沿X方向排列。
8.如权利要求1所述的线扫描表面形貌测量装置，其特征在于：被测点的高度表示为：
<mrow> <mi>Z</mi> <mo>=</mo> <mi>k</mi> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>I</mi> <mi>o</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>I</mi> <mi>e</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>I</mi> <mi>o</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>I</mi> <mi>e</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，I0为寻常光信号，Ie为非常光信号，Z为被测点高度，k为光路结构相关的常数。
9.如权利要求8所述的线扫描表面形貌测量装置，其特征在于：相邻的所述参考图形间具有光通量归一化图形，对应的，所述投影组件具有光通量归一化标记，所述光通量归一化标记所形成的光斑落入所述光通量归一化图形的范围内。
10.如权利要求9所述的线扫描表面形貌测量装置，其特征在于：被测点的高度经以下公式修正：
<mrow> <msub> <mi>Z</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>Z</mi> <mi>q</mi> </mrow> <msub> <mi>q</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> </mrow>
其中，Zc为修正后的高度，Z为被测点的高度，q为寻常光与非常光透过光通量归一化图形的光通量比值，q0为离线标定时，寻常光与非常光透过光通量归一化图形的光通量比值。
11.如权利要求1所述的线扫描表面形貌测量装置，其特征在于：还包括能量收集镜组，透过所述参考图形的寻常光和非常光被所述能量收集镜组收集入射至所述光探测器阵列。
12.如权利要求11所述的线扫描表面形貌测量装置，其特征在于：还包括分波长棱镜，将被所述能量收集镜组收集的寻常光和非常光依据不同波长出射至不同的所述光探测器阵列，以不同所述光探测器阵列测得值的结果加权平均值作为测量值。
13.如权利要求1所述的线扫描表面形貌测量装置，其特征在于：所述寻常光斑和非常光斑随着待测对象表面的高度升高而向上移动；所述寻常光斑和非常光斑随着待测对象表面的高度下降而向下移动。
14.如权利要求1所述的线扫描表面形貌测量装置，其特征在于：随着待测对象表面高度的升高，透过所述寻常光对应的参考图形的光能量增大，透过非常光对应的参考图形的光能量减小；随着待测对象表面高度的下降，透过所述寻常光对应的参考图形的光能量减小，透过非常光对应的参考图形的光能量增加。
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