CN109341605B - 一种基于激光外差干涉技术的复合测头 - Google Patents

一种基于激光外差干涉技术的复合测头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光外差干涉技术的复合测头，包括顺序线性排列连接的光源模块、双频激光集成模块、测头集成模块及与光源模块和双频激光集成模块连接的数据处理模块，光源模块产生正交偏振的双频激光，双频激光一部分进入数据处理模块，一部分进入双频激光集成模块，进入双频激光集成模块的激光被偏振分光棱镜即PBS依据偏振方向分成两束光后一部分光直接进入数据处理模块中，另一部分光进入测头集成模块，进入测头集成模块的光在扫描探针或样品表面反射后回到双频激光集成模块中，再进入数据处理模块中。这种复合测头能实现微纳米间不同尺度表面波纹度、粗糙度与缺陷边缘参数集成一体化检测，能降低测量所需的工作量、提高测量效率。

Description

一种基于激光外差干涉技术的复合测头
技术领域
本发明涉及表面检测技术领域,具体是一种基于激光外差干涉技术的复合测头。
背景技术
精密测量主要用于机械制造、材料和器件的结构与性能测试、空间测距等方面。运用光学方法实现精密测量是其中重要的方法之一，常见的有迈克耳孙干涉仪、法－珀干涉仪及激光外差干涉仪。双频激光干涉仪中可以直接测量两个信号的相位差来决定微位移的。这种微位移（亦即光程差）信息载于两种频率光束干涉后产生的拍频信号中。因此，对由光强变化引起的直流电平变化不敏感，所以抗干扰能力强，常用于高精度直线度测量、平面度测量和小角度测量等。
目前使用的激光外差干涉扫描探针检测装置是在光学平台上用各种元件与扫描探针机构搭建而成，其特点是各光学元件分立，搭建过程复杂，光路调节难，而且搭建完成后不能移动，对于微纳米间不同尺度的测量需求难以快速实现。
总之，一个亟待解决的问题就是如何建立一个一体化集成的，可快速切换的双频激光光探针与扫描探针复合测头，并且能够具有微纳米不同尺度测量精度，在工作时可以节省时间，提高效率。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于激光外差干涉技术的复合测头。这种复合测头能实现微纳米间不同尺度表面波纹度、粗糙度与缺陷边缘参数集成一体化检测，能降低测量所需的工作量、提高测量效率。
实现本发明目的的技术方案是：
一种基于激光外差干涉技术的复合测头，与现有技术不同的是，包括顺序线性排列连接的光源模块、双频激光集成模块、测头集成模块及与光源模块和双频激光集成模块连接的数据处理模块，光源模块产生正交偏振的双频激光，双频激光一部分进入数据处理模块，一部分进入双频激光集成模块，进入双频激光集成模块的激光被偏振分光棱镜即PBS依据偏振方向分成两束光后一部分光直接进入数据处理模块中，另一部分光进入测头集成模块，进入测头集成模块的光在扫描探针或样品表面反射后回到双频激光集成模块中，再进入数据处理模块中，所述测头集成模块包括光通过透镜光纤后形成光探针和与光探针对应的扫描探针单元，其中扫描探针单元设有带第一驱动装置的二维微位移台，二维微位移台是由一个一维微位移台在水平方向旋转90度后叠放在另一个一维微位移台上组成，二维微位移台上设有第二带驱动装置的扫描探针，二维微位移台可在同一平面上进行垂直、水平方向的微位移，二维微位移台在平行光路方向进行调节能够确保光探针聚焦于扫描探针上，在垂直光路方向进行调节能够实现光探针和复合测头的快速切换。
所述光源模块包括顺序连接的横向塞曼双频激光器和光具组，光具组包括从激光器方向开始由里向外依次排列的凸透镜、小孔和凹透镜，其中，激光器输出的激光波长
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
，光具组用于滤波和减少激光回授，从而提高检测系统工作稳定性。
所述双频激光集成模块包括
PBS载架，所述PBS载架为呈立方体状的第一块状体，第一块状体从各个面中心向块状体内部做镂空圆柱，第一块状体从每个面中心看均为互通的镂空状等尺寸的第一圆柱体，第一圆柱体的内壁车牙，第一块状体的每个面的4个角设有贯穿块状体的第一通孔，第一圆柱体内设有载镜台，载镜台包括第一调节旋钮和与第一调节旋钮连接的载镜托板，载镜托板上设有载镜槽，载镜槽的槽深尺寸小于PBS高度尺寸的1/5，载镜槽的外形边长尺寸与PBS的外形边长尺寸相等，载镜槽用于固定PBS；
镜片单元，所述镜片单元包括第一1/4波片载架、第二1/4波片载架和平面镜载架，第一1/4波片载架为呈长方体状的第二块状体，第二块状体中部为空心状的第二圆柱体，第二圆柱体的内壁车牙，第二块状体的两个相对的面的4个角设有贯穿第二块状体的第二通孔，第二圆柱体内设有镜片载架，镜片载架与第二调节旋钮连接，第二圆柱体的口径与第一圆柱体的口径相等，第二通孔与第一通孔的孔径相等，第二1/4波片载架和平面镜载架均与第一1/4波片载架结构、形状相同；
第一1/4波片载架和平面镜载架先连接再与PBS载架的一个面连接，第一1/4波片载架位于平面镜载架与PBS载架之间，第二1/4波片载架与PBS载架连接且位于PBS载架上与第一1/4波片载架同一水平面的相邻侧面方向。
所述第一调节旋钮为圆台，圆台的外壁车牙，圆台的台面上设有等间距的一组第一调节螺杆和第一弹簧，第一弹簧与载镜托板焊接，使用弹簧-螺杆结构来实现连续调节镜片角度功能；
所述第二调节旋钮的结构与第一调节旋钮结构的唯一差异在于：第二调节旋钮的圆台中部需镂空，其中第二调节旋钮上的弹簧与镜片载架焊接。
所述镜片载架为板状圆环，圆环的内环向外凸出，内环凸出的方向为镜片载架与弹簧焊接面的反面，内环凸出部的内外壁车牙，其中凸出部外壁螺纹部分的高度与镜片厚度一致，凸出部开口由外向内开口口径依次减小，口径最小处的开口口径小于镜片直径，凸出部外设有罩盖。
所述数据处理模块设有光电探测器和PT-1313B数字相位计并外接计算机用于将收集到的光信号转换为电信号并采集和处理。
所述透镜光纤连接光纤准直镜，光纤准直镜正对第二1/4波片载架，光源模块位于与第二1/4波片载架对应的PBS载架的另一面的正对位置处。
本装置的工作原理是：光源模块输出正交线偏振光，在PBS载架分光，其中垂直分量s反射经过第一1/4波片载架，偏振方向旋转45°，随后经平面镜载架反射后，偏振方向与原先垂直，透射过PBS载架，射入数据处理模块形成参考光；平行分量p透射过PBS载架后，经过第二1/4波片载架后，偏振方向旋转45°，通过光纤准直镜进入透镜光纤聚焦，直接反射或照射到扫描探针后反射，再次经过第二1/4波片载架，偏振方向与原先垂直，被PBS载架反射后被数据处理模块采集。
样品放置载物台上 ，载物台可横向和纵向移动，以便对样品实施逐点扫描。
本装置工作时，扫描探针在驱动装置的驱动下做指定频率的谐振，同时对样品进行逐点扫描，由于扫描探针与样品表面间的相互作用力会影响扫描探针的位移变化，能够被数据处理模块检测到其光程差变化并实现微纳米不同尺度测量。
当单独使用激光经透镜光纤聚焦后形成的光探针测量时，其横向分辨率取决于透镜光纤的数值孔径NA（
Figure DEST_PATH_IMAGE004
），使用复合测头测量时能够达到纳米级横向分辨率。
这种复合测头能实现微纳米间不同尺度表面波纹度、粗糙度与缺陷边缘参数集成一体化检测，能降低测量所需的工作量、提高测量效率。
附图说明
图1为实施例的结构示意图；
图2为实施例中各个部件的位置示意图；
图3为实施例中双频激光集成模块的结构示意图；
图4为实施例中第一1/4波片及平面镜载架的结构爆炸图；
图5为实施例中PBS载架的结构爆炸图。
图中，1.光源模块 2.双频激光集成模块 3.测头集成模块 4.数据处理模块5.PBS载架 6.载镜托板 7.载镜槽 8.第一1/4波片载架 9.第二1/4波片载架10.平面镜载架 11.圆台 12.第一调节螺杆 13.第一弹簧14.第二调节旋钮15. 圆环16.内环 17.凸出部 18.罩盖 19.透镜光纤 20.第一驱动装置 21.二维微位移台 22.第二驱动装置 23.扫描探针24.光纤准直镜 25.载物台。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图1、图2，一种基于激光外差干涉技术的复合测头，包括顺序线性排列连接的光源模块1、双频激光集成模块2、测头集成模块3及与光源模块1和双频激光集成模块2连接的数据处理模块4，光源模块1产生正交偏振的双频激光，双频激光一部分进入数据处理模块4，一部分进入双频激光集成模块2，进入双频激光集成模块2的激光被偏振分光棱镜即PBS依据偏振方向分成两束光后一部分光直接进入数据处理模块4中，另一部分光进入测头集成模块3，进入测头集成模块3的光在扫描探针23或样品表面反射后回到双频激光集成模块2中，再进入数据处理模块4中，所述测头集成模块3包括光通过透镜光纤19后形成的光探针和与光探针对应的扫描探针单元，其中扫描探针单元设有带第一驱动装置20的二维微位移台21，二维微位移台是由一个一维微位移台在水平方向旋转90度后叠放在另一个一维微位移台上组成，二维微位移台21上设有带第二驱动装置22的扫描探针23，二维微位移台21可在同一平面上进行垂直、水平方向的微位移，二维微位移台21在平行光路方向进行调节能够确保光探针聚焦于扫描探针23上，在垂直光路方向进行调节能够实现光探针和复合测头的快速切换。
所述光源模块1包括顺序连接的横向塞曼双频激光器和光具组，光具组包括从激光器方向开始由里向外依次排列的凸透镜、小孔和凹透镜，其中，激光器输出的激光波长
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
，光具组用于滤波和减少激光回授，从而提高检测系统工作稳定性。
所述双频激光集成模块2包括
PBS载架5，所述PBS载架5为呈立方体状的第一块状体，第一块状体从各个面中心向块状体内部做镂空圆柱，第一块状体从每个面中心看均为互通的镂空状等尺寸的第一圆柱体7，第一圆柱体7的内壁车牙，第一块状体的每个面的4个角设有贯穿块状体的第一通孔，第一圆柱体内设有载镜台，载镜台包括第一调节旋钮11和与第一调节旋钮11连接的载镜托板6，载镜托板6上设有载镜槽7，载镜槽7的槽深尺寸小于PBS高度尺寸的1/5，载镜槽7的的外形边长尺寸与PBS的外形边长尺寸相等，载镜槽7用于固定PBS，如图5所示；
镜片单元，所述镜片单元包括第一1/4波片载架8、第二1/4波片载架9和平面镜载架10，第一1/4波片载架8为呈长方体状的第二块状体，第二块状体中部为空心状的第二圆柱体，第二圆柱体的内壁车牙，第二块状体的两个相对的面的4个角设有贯穿第二块状体的第二通孔，第二圆柱内设有镜片载架，镜片载架与第二调节旋钮14连接，第二圆柱体的口径与第一圆柱体的口径相等，第二通孔与第一通孔的孔径相等，第二1/4波片载架9和平面镜载架10均与第一1/4波片载架8结构、形状相同，如图4所示；
第一1/4波片载架8和平面镜载架10先连接再与PBS载架5的一个面连接，第一1/4波片载架8位于平面镜载架10与PBS载架5之间，第二1/4波片载架9 与PBS载架5连接且位于PBS载架5上与第一1/4波片载架8同一水平面的相邻侧面方向，如图3所示。
所述第一调节旋钮为圆台，圆台的外壁车牙，圆台的台面上设有等间距的一组第一调节螺杆12和第一弹簧13，第一弹簧13与载镜托板6焊接，使用弹簧-螺杆结构来实现连续调节镜片角度功能。
所述第二调节旋钮14的结构与第一调节旋钮结构唯一差异在于：第二调节旋钮14的圆台中部需镂空，第二调节旋钮14上的弹簧与镜片载架焊接。
所述镜片载架为板状圆环15，圆环15的内环16向外凸出，内环16凸出的方向为镜片载架与弹簧焊接面的反面，内环16凸出部17的内外壁车牙，其中凸出部17外壁螺纹部分的高度与镜片厚度一致，凸出部17开口由外向内开口口径依次减小，口径最小处的开口口径小于镜片直径，凸出部17外设有罩盖18。
所述数据处理模块设有光电探测器和PT-1313B数字相位计并外接计算机用于将收集到的光信号转换为电信号并采集和处理。
所述透镜光纤19连接光纤准直镜24，光纤准直镜24正对第二1/4波片载架9，光源模块1位于与第二1/4波片载架9对应的PBS载架5的另一面的正对位置处。
本装置的工作原理是：光源模块1输出正交线偏振光，在PBS载架5分光，其中垂直分量s反射经过第一1/4波片载架8，偏振方向旋转45°，随后经平面镜载架10反射后，偏振方向与原先垂直，透射过PBS载架5，射入数据处理模块4形成参考光；平行分量p透射过PBS载架5后，经过第二1/4波片载架9后，偏振方向旋转45°，通过光纤准直镜24进入透镜光纤19聚焦，直接反射或照射到扫描探针23后反射，再次经过第二1/4波片载架9，偏振方向与原先垂直，被PBS载架5反射后被数据处理模块4采集。
样品放置载物台25上 ，载物台25可横向和纵向移动，以便对样品实施逐点扫描。
本装置工作时，扫描探针23在驱动装置22的驱动下做指定频率的谐振，同时对样品进行逐点扫描，由于扫描探针23与样品表面间的相互作用力会影响扫描探针23的位移变化，能够被数据处理模块4检测到其光程差变化并实现微纳米不同尺度测量。
当单独使用激光经透镜光纤19聚焦后形成的光探针测量时，其横向分辨率取决于透镜光纤19的数值孔径NA（
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
），使用复合测头测量时能够达到纳米级横向分辨率。

Claims (8)

1.一种基于激光外差干涉技术的复合测头，其特征是，包括顺序线性排列连接的光源模块、双频激光集成模块、测头集成模块及与光源模块和双频激光集成模块连接的数据处理模块，光源模块产生正交偏振的双频激光，双频激光一部分进入数据处理模块，一部分进入双频激光集成模块，进入双频激光集成模块的激光被偏振分光棱镜即PBS依据偏振方向分成两束光后一部分光直接进入数据处理模块中，另一部分光进入测头集成模块，进入测头集成模块的光在扫描探针或样品表面反射后回到双频激光集成模块中，再进入数据处理模块中，所述测头集成模块包括光通过透镜光纤后形成的光探针和与光探针对应的扫描探针单元，其中扫描探针单元设有带第一驱动装置的二维微位移台，二维微位移台是由一个一维微位移台在水平方向旋转90度后叠放在另一个一维微位移台上组成，二维微位移台上设有带第二驱动装置的扫描探针，二维微位移台可在同一平面上进行垂直、水平方向的微位移，二维微位移台在平行光路方向进行调节能够确保光探针聚焦于扫描探针上，在垂直光路方向进行调节能够实现光探针和复合测头的快速切换。
2.根据权利要求1所述的基于激光外差干涉技术的复合测头，其特征是，所述光源模块包括顺序连接的横向塞曼双频激光器和光具组，光具组包括从激光器方向开始由里向外依次排列的凸透镜、小孔和凹透镜，其中，激光器输出的激光波长
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。
3.根据权利要求1所述的基于激光外差干涉技术的复合测头，其特征是，所述双频激光集成模块包括
PBS载架，所述PBS载架为呈立方体状的第一块状体，第一块状体从各个面中心向块状体内部做镂空圆柱，第一块状体从每个面中心看均为互通的镂空状等尺寸的第一圆柱体，第一圆柱体的内壁车牙，第一块状体的每个面的4个角设有贯穿块状体的第一通孔，第一圆柱体内设有载镜台，载镜台包括第一调节旋钮和与第一调节旋钮连接的载镜托板，载镜托板上设有载镜槽，载镜槽的槽深尺寸小于PBS高度尺寸的1/5，载镜槽的外形边长尺寸与PBS的外形边长尺寸相等；
镜片单元，所述镜片单元包括第一1/4波片载架、第二1/4波片载架和平面镜载架，第一1/4波片载架为呈长方体状的第二块状体，第二块状体中部为空心状的第二圆柱体，第二圆柱体的内壁车牙，第二块状体的两个相对的面的4个角设有贯穿第二块状体的第二通孔，第二圆柱体内设有镜片载架，镜片载架与第二调节旋钮连接，第二圆柱体的口径与第一圆柱体的口径相等，第二通孔与第一通孔的孔径相等，第二1/4波片载架和平面镜载架均与第一1/4波片载架结构、形状相同；
第一1/4波片载架和平面镜载架先连接再与PBS载架的一个面连接，第一1/4波片载架位于平面镜载架与PBS载架之间，第二1/4波片载架与PBS载架连接且位于PBS载架上与第一1/4波片载架同一水平面的相邻侧面方向。
4.根据权利要求3所述的基于激光外差干涉技术的复合测头，其特征是，所述第一调节旋钮为圆台，圆台的外壁车牙，圆台的台面上设有等间距的一组第一调节螺杆和第一弹簧，第一弹簧与载镜托板焊接。
5. 根据权利要求3所述的基于激光外差干涉技术的复合测头，其特征是，所述第二调节旋钮的结构与第一调节旋钮结构的唯一差异在于：第二调节旋钮的圆台中部需镂空，其中第二调节旋钮上的弹簧与镜片载架焊接。
6.根据权利要求3所述的基于激光外差干涉技术的复合测头，其特征是，所述
镜片载架为板状圆环，圆环的内环向外凸出，内环凸出的方向为镜片载架与弹簧焊接面的反面，内环凸出部的内外壁车牙，其中凸出部外壁螺纹部分的高度与镜片厚度一致，凸出部开口由外向内开口口径依次减小，口径最小处的开口口径小于镜片直径，凸出部外设有罩盖。
7.根据权利要求1所述的基于激光外差干涉技术的复合测头，其特征是，所述数据处理模块设有光电探测器和PT-1313B数字相位计并外接计算机用于将收集到的光信号转换为电信号并采集和处理。
8.根据权利要求1所述的基于激光外差干涉技术的复合测头，其特征是，所述透镜光纤连接光纤准直镜，光纤准直镜正对第二1/4波片载架，光源模块位于与第二1/4波片载架对应的PBS载架的另一面的正对位置处。
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