CN110307805B - 一种用于表面三维形貌测量的白光干涉系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于表面三维形貌测量的白光干涉系统，可对精密元器件提供无损、快速、高精度、电动的表面三维形貌测量。照明模块对光进行准直整形，成像模块将准直整形后的光分为物光和参考光，两束光的反射光合束后干涉，条纹调整和扫描模块调整参考镜的偏转姿态，在干涉条纹满足扫描要求时进行扫描，成像模块将干涉光放大成像后传输给处理模块，处理模块根据图像重现被测样品的表面三维形貌，被测样品利用样品夹持模块固定且利用对焦模块实现对焦，照明模块、条纹调整和扫描模块和成像模块利用系统固定模块固定，整个系统结构设计紧凑，具有体积小、便于集成、易于搬运、适合异地测试等优势，且参考镜的偏转角度可以实现电动精确调节。

Description

一种用于表面三维形貌测量的白光干涉系统

技术领域

本发明涉及表面检测技术领域，尤其涉及一种用于表面三维形貌测量的白光干涉系统。

背景技术

表面形貌是指表面的微观几何形态，它是由于加工过程中刀具与零件之间的摩擦、切削分离时的塑性变形和金属撕裂、加工系统的振动等原因在零件表面留下的各种不同形状和尺寸的微观结构。表面形貌对于加工过程中工艺过程的状态变化十分敏感，因此，被认定为加工过程中控制、监测和诊断的重要手段。随着高科技的发展，诸多领域对于元器件的表面形貌提出了越来越高的要求，例如，集成电路的硅片，X射线仪及激光器的发射镜窗片，同步辐射光学组件，激光陀螺和光纤陀螺的光学组件，以及纳米技术和生物技术等前沿学科领域。

表面形貌的测量方法基本可以分为接触式测量和非接触式测量两种。例如，机械探针式测量法和扫描探针式测量法属于接触式测量法，虽然具有较高的测量精度，但会损伤被测样品的表面，测量结果的重复性低；光学探针式测量法、扫描电子显微镜和白光干涉测量法属于非接触式测量法，其中，光学探针式测量法和扫描电子显微镜虽然不会损伤被测样品的表面，但存在测量范围小、测量速度慢且易损伤探针等缺点，而白光干涉测量法的非接触和快速测量特性，使得它在实际应用中得到飞速发展。

白光干涉测量法是利用白光的低相干特性，将物体表面三维形貌信息反映到干涉信号上，通过对干涉图像进行分析，恢复出待测样品的表面三维形貌。白光干涉测量法最大的优点是测量精度高、速度快、无损伤。

目前，国内的白光干涉系统一般为垂直光路型(即立式结构)，且系统中的分部件多为标准件，因此，存在体积大、结构复杂的问题，例如，迈克尔逊型干涉仪一般以光学标准件搭建而成，特别是成像部分，以光学标准件搭建而成，或者采用尼康等公司的迈克尔逊型干涉微分镜头。现有的白光干涉系统的调节方式多为手动，很难精确控制定量的位移输出，而白光干涉系统是一个精密测量系统，不精确的手动调节会增加测量难度，引入测量误差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于表面三维形貌测量的白光干涉系统，用以在保证高精度测量的前提下，解决系统体积大、调节非电动等问题。

因此，本发明提供了一种用于表面三维形貌测量的白光干涉系统，包括：照明模块、条纹调整和扫描模块、成像模块、处理模块、样品夹持模块、对焦模块以及系统固定模块；其中，

所述照明模块，用于对低相干光进行准直整形；

所述条纹调整和扫描模块，用于调整参考镜的偏转姿态，以调整干涉条纹的幅度和偏转角度，待所述干涉条纹满足扫描要求时进行扫描；

所述成像模块，用于将准直整形后的光分为两束光，一束为照射在被测样品的物光，另一束为照射在所述参考镜的参考光，并将由所述物光的反射光和所述参考光的反射光合束后产生的干涉光放大成像，再将图像传输给所述处理模块；

所述处理模块，用于将接收的图像转化为数字数据并进行解算，重现所述被测样品的表面三维形貌；

所述样品夹持模块，用于固定所述被测样品，使所述被测样品的表面与所述物光垂直；

所述对焦模块，与所述样品夹持模块固定连接，用于调整所述被测样品的位置，使所述成像模块成像清晰；

所述系统固定模块，用于固定所述照明模块、所述条纹调整和扫描模块以及所述成像模块。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述白光干涉系统中，所述照明模块，包括：光源、照明光路以及将所述光源和所述照明光路固定在内的第一镜筒；其中，

所述照明光路为柯勒照明，包括六组六片镜片，用于对所述光源发出的光进行准直整形。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述白光干涉系统中，所述条纹调整和扫描模块，包括：所述参考镜，参考镜底座，移相器，移相器底座，位于所述移相器底座下方的XY方向偏转底座，XY方向偏转电机，位于所述XY方向偏转底座下方的XZ方向偏转底座，XZ方向偏转电机，以及位于所述XZ方向偏转底座下方的安装座；其中，

所述移相器包括U型固定部和插入所述U型固定部内的条形移动部；所述U型固定部固定于所述移相器底座上，所述参考镜通过所述参考镜底座固定在所述条形移动部上，所述条形移动部带动所述参考镜作单方向移动扫描；

所述XY方向偏转电机与所述XY方向偏转底座固定连接，所述XY方向偏转电机的推力端穿过所述XY方向偏转底座中的第一贯穿孔与所述移相器底座沿X轴方向的一端保持接触状态，所述移相器底座沿X轴方向的另一端通过第一转轴结构与所述XY方向偏转底座转动连接；所述XY方向偏转电机穿过所述XY方向偏转底座的部分与所述第一贯穿孔间隙配合，所述第一贯穿孔的中心轴沿Y轴方向；所述第一转轴结构的中心轴沿Z轴方向，所述第一转轴结构由第一固定轴与第一轴承过盈配合组成，所述第一固定轴与所述移相器底座中的第二贯穿孔过渡配合，所述第一轴承与所述XY方向偏转底座中的第三贯穿孔过渡配合；

所述XZ方向偏转电机与所述XZ方向偏转底座固定连接，所述XZ方向偏转电机的推力端穿过所述XZ方向偏转底座中的第四贯穿孔与所述XY方向偏转底座沿X轴方向的一端保持接触状态，所述XY方向偏转底座沿X轴方向的另一端通过第二转轴结构与所述XZ方向偏转底座转动连接；所述XZ方向偏转电机穿过所述XZ方向偏转底座的部分与所述第四贯穿孔间隙配合，所述第四贯穿孔的中心轴沿Z轴方向；所述第二转轴结构的中心轴沿Y轴方向，所述第二转轴结构由第二固定轴与第二轴承过盈配合组成，所述第二固定轴与所述XY方向偏转底座中的第五贯穿孔过渡配合，所述第二轴承与所述XZ方向偏转底座中的第六贯穿孔过渡配合；

所述XZ方向偏转电机与所述XY方向偏转电机位于所述XY方向偏转底座与所述XZ方向偏转底座沿X轴方向的同一端，所述第一转轴结构与所述第二转轴结构位于所述XY方向偏转底座与所述XZ方向偏转底座沿X轴方向的同一端；所述移相器底座与所述XY方向偏转底座在设置所述XY方向偏转电机的一端通过第一拉伸弹簧连接，所述XY方向偏转底座连接所述第一拉伸弹簧的连接点比所述移相器底座连接所述第一拉伸弹簧的连接点靠近所述XY方向偏转电机；所述XY方向偏转底座与XZ方向偏转底座在设置所述XY方向偏转电机的一端通过第二拉伸弹簧连接，所述XZ方向偏转底座连接所述第二拉伸弹簧的连接点比所述XY方向偏转底座连接所述第二拉伸弹簧的连接点靠近所述XY方向偏转电机；

所述XZ方向偏转底座设有中心轴沿Z轴方向的第七贯穿孔，所述安装座设有中心轴沿Z轴方向的螺纹孔，所述XZ方向偏转底座与所述安装座通过固定螺钉、所述XZ方向偏转底座中第七贯穿孔和所述安装座中螺纹孔的配合固定连接；所述安装座设有中心轴沿X轴方向的第八贯穿孔，所述安装座通过固定螺钉与所述第八贯穿孔的配合将所述条纹调整和扫描模块安装在所述系统固定模块上。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述白光干涉系统中，所述移相器底座与所述XY方向偏转底座接触的一面设有第一凹槽，所述XY方向偏转底座与所述移相器底座接触的一面设有第二凹槽；

所述第一凹槽用于放置第一极性的磁铁，所述第二凹槽用于放置与第一极性相异的第二极性的磁铁。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述白光干涉系统中，所述XY方向偏转底座与所述XZ方向偏转底座接触的一面设有第三凹槽，所述XZ方向偏转底座与所述XY方向偏转底座接触的一面设有第四凹槽；

所述第三凹槽用于放置第一极性的磁铁，所述第四凹槽用于放置与第一极性相异的第二极性的磁铁。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述白光干涉系统中，所述成像模块，包括：分光棱镜、成像光路、将所述成像光路固定在内的第二镜筒、相机以及光路套筒；其中，

所述分光棱镜，封装在空心立方体笼内，用于将准直整形后的光分为两束光，一束为照射在所述被测样品的物光，另一束为照射在所述参考镜的参考光，并将所述物光的反射光和所述参考光的反射光合束；

所述成像光路，包括五组七片镜片，用于将所述物光的反射光和所述参考光的反射光合束后产生的干涉光放大成像到所述相机上；

所述相机，用于将图像传输给所述处理模块；

所述成像光路与所述相机之间由所述光路套筒连接，形成封闭空间。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述白光干涉系统中，所述样品夹持模块，包括：样品夹持座、样品夹片以及压缩弹簧；其中，

所述样品夹持座通过固定螺钉固定在所述对焦模块上；

所述样品夹片通过紧固螺钉固定在所述样品夹持座上；

所述压缩弹簧安装于所述样品夹片与所述紧固螺钉之间。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述白光干涉系统中，所述对焦模块，包括：夹持座固定块和对焦步进电机；其中，

所述样品夹持座通过固定螺钉固定在所述夹持座固定块上；

所述夹持座固定块固定在所述对焦步进电机的移动部分，所述对焦步进电机的移动部分带动所述被测样品移动，使所述成像模块成像清晰。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述白光干涉系统中，所述系统固定模块，包括：L型固定板、系统整体板以及系统支架；其中，

所述第一镜筒和所述第二镜筒分别固定在所述L型固定板的两个外表面，所述空心立方体笼固定在所述L型固定板的内表面；

所述L型固定板与所述相机固定在所述系统整体板的上表面，所述相机位于所述第二镜筒的出光侧；

所述安装座固定在所述系统整体板的侧面，位于所述空心立方体笼背离所述第一镜筒的一侧；

所述样品夹持座位于所述空心立方体笼背离所述第二镜筒的一侧；

所述系统支架固定在所述系统整体板的下表面，所述系统整体板通过所述系统支架被支起；

所述夹持座固定块和所述对焦步进电机位于所述系统整体板的下方。

本发明提供的上述白光干涉系统，可以对精密元器件提供无损、快速、高精度、电动的表面三维形貌测量，照明模块对低相干光进行准直整形，成像模块将准直整形后的光分为两束光，一束为照射在被测样品的物光，另一束为照射在参考镜的参考光，两束光的反射光合束后发生干涉，条纹调整和扫描模块调整参考镜的偏转姿态，以调整干涉条纹的幅度和偏转角度，使其满足扫描要求时进行扫描，成像模块将干涉光放大成像后传输给处理模块，处理模块将其转化为数字数据并进行解算，重现被测样品的表面三维形貌，另外，被测样品利用样品夹持模块固定且利用对焦模块实现对焦，照明模块、条纹调整和扫描模块和成像模块利用系统固定模块固定，整个系统结构设计紧凑，相比于现有的白光干涉系统，具有体积小、便于集成、易于搬运等优势，该系统既可水平放置又可垂直放置，适合异地测试，照明模块和成像模块的结构设计可以在实现小体积的前提下提供更好的成像质量；参考镜的偏转角度可以实现电动精确调节，系统中所用硬件均由软件直接控制，能够提供定量、精密的调节，无需手动调节。

附图说明

图1为本发明提供的用于表面三维形貌测量的白光干涉系统的结构示意图之正视图；

图2为本发明提供的用于表面三维形貌测量的白光干涉系统的结构示意图之俯视图；

图3为本发明提供的用于表面三维形貌测量的白光干涉系统的结构示意图之侧视图一；

图4为本发明提供的用于表面三维形貌测量的白光干涉系统中照明光路的结构示意图；

图5为本发明提供的用于表面三维形貌测量的白光干涉系统中条纹调整和扫描模块的结构示意图之正视图；

图6为图5中移相器底座和XY方向偏转底座的拆分图；

图7为图5中XY方向偏转底座和XZ方向偏转底座的拆分图；

图8为本发明提供的用于表面三维形貌测量的白光干涉系统中条纹调整和扫描模块的结构示意图之侧视图；

图9为图5中XZ方向偏转底座与安装座的拆分图；

图10为本发明提供的用于表面三维形貌测量的白光干涉系统中条纹调整和扫描模块的安装示意图；

图11为本发明提供的用于表面三维形貌测量的白光干涉系统中成像光路的结构示意图；

图12为本发明提供的用于表面三维形貌测量的白光干涉系统中样品夹持模块的结构示意图；

图13为本发明提供的用于表面三维形貌测量的白光干涉系统中样品夹持模块的安装示意图；

图14为本发明提供的用于表面三维形貌测量的白光干涉系统中对焦模块的结构示意图；

图15为本发明提供的用于表面三维形貌测量的白光干涉系统中对焦步进电机的结构示意图；

图16为本发明提供的用于表面三维形貌测量的白光干涉系统中照明模块和成像模块的安装示意图；

图17为本发明提供的用于表面三维形貌测量的白光干涉系统的结构示意图之侧视图二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。

本发明提供的一种用于表面三维形貌测量的白光干涉系统，如图1-图3所示，图1-图3分别为白光干涉系统的正视图、俯视图和侧视图，包括：照明模块1、条纹调整和扫描模块2、成像模块3、处理模块(图1-图3未示出)、样品夹持模块4、对焦模块5以及系统固定模块6；其中，

照明模块1，用于对低相干光进行准直整形；

条纹调整和扫描模块2，用于调整参考镜的偏转姿态，以调整干涉条纹的幅度和偏转角度，待干涉条纹满足扫描要求时进行扫描；

成像模块3，用于将准直整形后的光分为两束光，一束为照射在被测样品的物光，另一束为照射在参考镜的参考光，并将由物光的反射光和参考光的反射光合束后产生的干涉光放大成像，再将图像传输给处理模块；

处理模块，用于将接收的图像转化为数字数据并进行解算，重现被测样品的表面三维形貌；

样品夹持模块4，用于固定被测样品，使被测样品的表面与物光垂直；

对焦模块5，与样品夹持模块4固定连接，用于调整被测样品的位置，使成像模块成像清晰；

系统固定模块6，用于固定照明模块1、条纹调整和扫描模块2以及成像模块3。

本发明提供的上述白光干涉系统，可以对精密元器件提供无损、快速、高精度、电动的表面三维形貌测量，照明模块对低相干光进行准直整形，成像模块将准直整形后的光分为两束光，一束为照射在被测样品的物光，另一束为照射在参考镜的参考光，两束光的反射光合束后发生干涉，条纹调整和扫描模块调整参考镜的偏转姿态，以调整干涉条纹的幅度和偏转角度，使其满足扫描要求时进行扫描，成像模块将干涉光放大成像后传输给处理模块，处理模块将其转化为数字数据并进行解算，重现被测样品的表面三维形貌，另外，被测样品利用样品夹持模块固定且利用对焦模块实现对焦，照明模块、条纹调整和扫描模块和成像模块利用系统固定模块固定，整个系统结构设计紧凑，相比于现有的白光干涉系统，具有体积小、便于集成、易于搬运等优势，该系统既可水平放置又可垂直放置，适合异地测试，照明模块和成像模块的结构设计可以在实现小体积的前提下提供更好的成像质量；参考镜的偏转角度可以实现电动精确调节，系统中所用硬件均由软件直接控制，能够提供定量、精密的调节，无需手动调节。

在具体实施时，在本发明提供的上述白光干涉系统中，照明模块，如图1和图2所示，具体可以包括光源(图1和图2中未示出)、照明光路(图1和图2中未示出)以及将光源和照明光路固定在内的第一镜筒7；其中，光源可以为白光LED光源，中心波长为580nm，照明光路可以采用柯勒照明。第一镜筒7可以确保各镜片之间相对位置固定，不仅可以保证输出光的质量稳定，还可以作为整体方便安装。照明光路对光源发出的光进行准直整形，可以为系统提供均匀的照明，提高系统成像的对比度和分辨率，从而可以获得清晰的图像。如图4所示，柯勒照明光路包括六组六片镜片，物距12mm，物方N.A.为0.39，像方N.A.为0.3，后工作距离16mm，物像距140mm，物面处为光源，像面处为被测样品，各镜片参数如表1所示。光源经会聚透镜的像呈在孔径光阑处，同时也是成像模块的后焦平面，通过柯勒照明光路的光束呈锥形，孔径光阑控制明场反射的锥形光照射到被测样本的角度。该设计能够很好地解决以下两个问题：1、视野内被测样品的不均匀照明；2、被测样品像与光源像的重叠问题。

表1照明光路A-2镜片参数表

在具体实施时，在本发明提供的上述白光干涉系统中，条纹调整和扫描模块，如图5-图7所示，为了便于理解，图6给出图5中移相器底座11和XY方向偏转底座12的拆分图，图7给出图5中XY方向偏转底座12和XZ方向偏转底座14的拆分图，具体可以包括：参考镜8，参考镜底座9，移相器10，移相器底座11，位于移相器底座11下方的XY方向偏转底座12，XY方向偏转电机13，位于XY方向偏转底座12下方的XZ方向偏转底座14，XZ方向偏转电机15，以及位于XZ方向偏转底座14下方的安装座16；其中，移相器10可以包括U型固定部17和插入U型固定部17内的条形移动部18；U型固定部17可以通过固定螺钉19与移相器底座11中螺纹孔20(如图6所示)的配合固定于移相器底座11上，参考镜8通过参考镜底座9固定在条形移动部18上，具体地，参考镜8可以粘贴在参考镜底座9上，参考镜底座9可以通过固定螺钉19固定在条形移动部18上，条形移动部18带动参考镜8作单方向移动扫描；

如图6所示，XY方向偏转电机13与XY方向偏转底座12可以通过固定螺钉19固定连接，XY方向偏转电机13的推力端13A穿过XY方向偏转底座12中的第一贯穿孔21与移相器底座11沿X轴方向的一端(如图6所示的左端)保持接触状态，移相器底座11沿X轴方向的另一端(如图6所示的右端)通过第一转轴结构22与XY方向偏转底座12转动连接；XY方向偏转电机13穿过XY方向偏转底座12的部分与第一贯穿孔21间隙配合，第一贯穿孔21的中心轴沿Y轴方向；第一转轴结构22的中心轴沿Z轴方向，第一转轴结构22由第一固定轴23与第一轴承24过盈配合组成，第一固定轴23与移相器底座11中的第二贯穿孔25过渡配合，第一轴承24与XY方向偏转底座12中的第三贯穿孔26过渡配合；

如图7所示，XZ方向偏转电机15与XZ方向偏转底座14可以通过固定螺钉19固定连接，XZ方向偏转电机15的推力端15A穿过XZ方向偏转底座14中的第四贯穿孔27与XY方向偏转底座12沿X轴方向的一端保持接触状态，XY方向偏转底座12沿X轴方向的另一端通过第二转轴结构28与XZ方向偏转底座14转动连接；XZ方向偏转电机15穿过XZ方向偏转底座14的部分与第四贯穿孔27间隙配合，第四贯穿孔27的中心轴沿Z轴方向；第二转轴结构28的中心轴沿Y轴方向，第二转轴结构28由第二固定轴29与第二轴承30过盈配合组成，第二固定轴29与XY方向偏转底座12中的第五贯穿孔31过渡配合，第二轴承30与XZ方向偏转底座14中的第六贯穿孔32过渡配合；

如图5所示，XZ方向偏转电机15与XY方向偏转电机13位于XY方向偏转底座12与XZ方向偏转底座14沿X轴方向的同一端，第一转轴结构22与第二转轴结构28位于XY方向偏转底座12与XZ方向偏转底座14沿X轴方向的同一端；如图8所示，移相器底座11与XY方向偏转底座12在设置XY方向偏转电机13的一端通过第一拉伸弹簧33连接，XY方向偏转底座12连接第一拉伸弹簧33的连接点比移相器底座11连接第一拉伸弹簧33的连接点靠近XY方向偏转电机13；XY方向偏转底座12与XZ方向偏转底座14在设置XY方向偏转电机13的一端通过第二拉伸弹簧34连接，XZ方向偏转底座14连接第二拉伸弹簧34的连接点比XY方向偏转底座12连接第二拉伸弹簧34的连接点靠近XY方向偏转电机13；

为了便于理解，给出图5中XZ方向偏转底座14与安装座16的拆分图，如图9所示，XZ方向偏转底座14设有中心轴沿Z轴方向的第七贯穿孔35，安装座16设有中心轴沿Z轴方向的螺纹孔(图9中未示出)，XZ方向偏转底座14与安装座16通过固定螺钉19、XZ方向偏转底座14中第七贯穿孔35和安装座16中螺纹孔的配合固定连接；安装座16设有中心轴沿X轴方向的第八贯穿孔36，安装座16通过固定螺钉19与第八贯穿孔36的配合将条纹调整和扫描模块2安装在系统固定模块上，如图10所示。综上，上述条纹调整和扫描模块能够精确调节参考镜的俯仰偏转(±4°偏转)和水平偏转姿态，从而实现对干涉条纹幅度和偏转角度的姿态调整。当干涉条纹调整到满足扫描要求时，由移相器的条形移动部带动参考镜进行高精度的单方向移动扫描，理论分辨率为2nm。

在具体实施时，在本发明提供的上述白光干涉系统中，移相器中的U型固定部不发生位移，只起固定作用；移相器中的条形移动部为移动部分，产生单维度的位移。移相器可以采用压电陶瓷PI-P-753。

在具体实施时，在本发明提供的上述白光干涉系统中，参考镜可以为系统提供必要的参考光，是形成干涉的必要条件。在XZ方向偏转电机和XZ方向偏转电机的带动下，参考镜可以实现±3度内的角度偏转。

在具体实施时，在本发明提供的上述白光干涉系统中，为了使移相器底座在XY平面内做无偏心的圆周偏摆运动，需要一个固定点和一个推动点，通过采用第一轴承和第一固定轴作为固定点，将XY方向偏转电机的推力端作为运动的推动点，可以实现无偏心的圆周偏转。如图5和图6所示，当XY方向偏转电机13伸长时，移相器底座11在XY方向偏转电机13的推动下，形成移相器底座11绕第一固定轴23旋转的机械结构，移相器底座11只能在XY平面作有限幅度的圆周偏转运动；当XY方向偏转电机13缩短时，为了使参考镜8精确复位，避免回程误差，需要保证XY方向偏转电机13的推力端13A与移相器底座11的配合面紧密相贴，因此，如图8所示，采用第一拉伸弹簧33将移相器底座11与XY方向偏转底座12相连，这样，在XY方向偏转电机13的推力端13A回缩时，第一拉伸弹簧33可以向移相器底座11提供回复力(拉力)，使XY方向偏转电机13的推力端13A与移相器底座11的配合面同步动作，减小误差，实现实时精确调节；综上，XY方向偏转电机13的伸缩带动移相器底座11在XY平面以第一固定轴23为中心作有限幅度的圆周偏转运动。具体地，XY方向偏转电机可以采用直线步进电机。

在具体实施时，在本发明提供的上述干涉仪用压电陶瓷控制装置中，为了使XY方向偏转底座在XZ平面内做无偏心的圆周偏摆运动，需要一个固定点和一个推动点，通过采用第二轴承和第二固定轴作为固定点，将XZ方向偏转电机的推力端作为运动的推动点，可以实现无偏心的圆周偏转。如图5和7所示，当XZ方向偏转电机15伸长时，XY方向偏转底座12在XZ方向偏转电机15的推动下，形成XY方向偏转底12座绕第二固定轴29旋转的机械结构，XY方向偏转底座12只能在XZ平面作有限幅度的圆周偏转运动；当XZ方向偏转电机15缩短时，为了使参考镜8精确复位，避免回程误差，需要保证XZ方向偏转电机15的推力端15A与XY方向偏转底座12的配合面紧密相贴，因此，如图8所示，采用第二拉伸弹簧34将XY方向偏转底座12与XZ方向偏转底座14相连，这样，在XZ方向偏转电机15的推力端15A回缩时，第二拉伸弹簧34可以向XY方向偏转底座12提供回复力(拉力)，使XZ方向偏转电机15的推力端15A与XY方向偏转底座12的配合面同步动作，减小误差，实现实时精确调节；综上，XZ方向偏转电机15的伸缩带动XY方向偏转底座12在XZ平面以第二固定轴29为中心作有限幅度的圆周偏转运动。具体地，XZ方向偏转电机可以采用直线步进电机。

在具体实施时，在本发明提供的上述白光干涉系统中，由于移相器底座在XY方向偏转电机的推动下会在XY平面进行偏转，为了更好地保证偏转过程的平顺性，如图6所示，移相器底座11与XY方向偏转底座12接触的一面设有第一凹槽(图6中未示出)，XY方向偏转底座12与移相器底座11接触的一面设有第二凹槽37；第一凹槽用于放置第一极性的磁铁38，第二凹槽37用于放置与第一极性相异的第二极性的磁铁39。由于移相器底座11内嵌的第一极性的磁铁38与XY方向偏转底座12内嵌的第二极性的磁铁39之间存在吸引力，因此，可以增加偏转过程中移相器底座11与XY方向偏转底座12接触面间的贴合力，从而可以进一步减小偏转垂直方向即Z向的位移波动，更好地保证偏转过程的平顺。通过第一转轴结构、第一拉伸弹簧和磁铁组合可以保证XY平面输出连续平稳的角度偏转，减小在偏转垂直方向即Z向的跳动，减小偏转角度误差。

在具体实施时，在本发明提供的上述白光干涉系统中，由于XY方向偏转底座在XZ方向偏转电机的推动下会在重力方向(即XZ平面)进行偏转，为了更好地保证偏转过程的平顺性，如图7所示，XY方向偏转底座12与XZ方向偏转底座14接触的一面设有第三凹槽(图7中未示出)，XZ方向偏转底座14与XY方向偏转底座12接触的一面设有第四凹槽40；第三凹槽用于放置第一极性的磁铁38，第四凹槽40用于放置与第一极性相异的第二极性的磁铁39。由于XY方向偏转底座12内嵌的第一极性的磁铁38与XZ方向偏转底座14内嵌的第二极性的磁铁39之间存在吸引力，因此，可以增加偏转过程中XY方向偏转底座12与XZ方向偏转底座14接触面间的贴合力，从而可以进一步减小在偏转垂直方向即Y向的位移波动，更好地保证偏转过程的平顺。通过第二转轴结构、第二拉伸弹簧和磁铁组合可以保证XZ平面输出连续平稳的角度偏转，减小在偏转垂直方向即Y向的跳动，减小偏转角度误差。

在具体实施时，在本发明提供的上述白光干涉系统中，如图2和图3所示，成像模块3，具体可以包括：分光棱镜41、成像光路(图2和图3中未示出)、将成像光路固定在内的第二镜筒42、相机43以及光路套筒44；成像模块3的作用是将被测样品的信息放大成像到相机43上；其中，分光棱镜41封装在空心立方体笼45内，用于将准直整形后的光分为两束光，一束为照射在被测样品的物光，另一束为照射在参考镜的参考光，并将物光的反射光和参考光的反射光合束；成像光路，用于将物光的反射光和参考光的反射光合束后产生的干涉光放大成像到相机上，如图11所示，可以包括五组七片镜片，其放大倍数为5倍，后工作距离为16mm，物方N.A.为0.29，物像距230mm，系统分辨率为1.3，物方视场1.2mm*1.4mm，物面处为相机，像面处为被测样品，各镜片参数如表2所示；第二镜筒41可以确保各镜片之间相对位置固定，不仅可以保证输出光的质量稳定，还可以作为整体方便安装；相机42用于将图像传输给处理模块；如图2和图3所示，成像光路与相机42之间，即第二镜筒41与相机42之间由光路套筒43连接，形成封闭空间，可以避免外部杂散光干扰系统成像。光源发出的光经照明光路整形后，由分光棱镜分成两束，一束光直接照射在参考镜上，另一束照射在被测样品的表面，由被测样品反射回来的物光和由参考镜反射的参考光折回分光棱镜并合束，产生带有干涉条纹的光，该光束经由成像光路中的透镜组放大成像在相机的靶面上，相机捕获的图像经由数据线传入处理模块(例如，计算机)。具体地，相机可以为CMOS型，有效像素为2448×2048。

需要说明的是，在本发明提供的上述白光干涉系统中，照明模块中的照明光路与成像模块中的成像光路既可以水平使用(图1-图3以水平使用为例)，也可以垂直使用，不会影响光路的输出质量。

表2成像光路C-1镜片参数表

在具体实施时，在本发明提供的上述白光干涉系统中，样品夹持模块的作用是固定被测样品，使被测样品相对稳定，从而便于测量，另外，还可以保证被测样品的被测表面与准直后的光束垂直分布。样品夹持模块无法调节被测样品的偏转俯仰角度，这样，可以减少被测样品的可调自由度。样品夹持模块，如图12所示，具体可以包括：样品夹持座46、样品夹片47以及压缩弹簧48；其中，如图13所示，样品夹持座46通过固定螺钉19固定在对焦模块5上；样品夹片47通过紧固螺钉49固定在样品夹持座46上，压缩弹簧48安装于样品夹片47与紧固螺钉49之间，这样设计的目的，一方面，可以为夹持被测样品提供预紧力，保证被测样品紧贴样品夹持座46，不发生移动，以免影响测量精度，另一方面，在更换被测样品时，只需抬起或移动样品夹片47即可，操作简便。并且，对于不同的被测样品，可以更换不同的样品夹持座，以满足对于不同被测样品的测试需求，而整个系统的其他部分无需更换，可以实现模块化的目的。

在具体实施时，在本发明提供的上述白光干涉系统中，对焦模块的作用是实现焦平面的精确定位，如图13和图14所示，具体可以包括：夹持座固定块50和对焦步进电机51；其中，样品夹持座46通过固定螺钉19固定在夹持座固定块50上；对焦步进电机51，如图15所示，包括移动部分52、非移动部分53和底板54，移动部分52可以在底板54上移动，非移动部分53固定在底板54上；如图13和图14所示，夹持座固定块50通过紧固螺钉49固定在移动部分52，移动部分52带动被测样品作单维度的移动，使被测样品经成像模块所呈的像清晰地出现在相机的靶面上。具体地，对焦步进电机为高精度电动位移台，其行程为10mm，定位精度为0.1μm。

在具体实施时，在本发明提供的上述白光干涉系统中，系统固定模块，如图16和图17所示，包括：L型固定板55、系统整体板56以及系统支架57；其中，如图16所示，第一镜筒7和第二镜筒42分别固定在L型固定板55的两个外表面，空心立方体笼45固定在L型固定板55的内表面；L型固定板55与相机43固定在系统整体板56的上表面，相机43位于第二镜筒42的出光侧；如图10所示，安装座16固定在系统整体板56的侧面，位于空心立方体笼45背离第一镜筒7的一侧，样品夹持座46位于空心立方体笼45背离第二镜筒42的一侧(参照图2)；如图17所示，系统支架57固定在系统整体板56的下表面，系统整体板56通过系统支架57被支起；夹持座固定块50和对焦步进电机51位于系统整体板56的下方；这样，系统中的所有模块均被固定，整套系统体积小，结构紧凑，尺寸为300mm*270mm*120mm，可以放置在高精度光学隔振平台上进行测试。

本发明提供的上述白光干涉系统，可以对精密元器件提供无损、快速、高精度、电动的表面三维形貌测量，照明模块对低相干光进行准直整形，成像模块将准直整形后的光分为两束光，一束为照射在被测样品的物光，另一束为照射在参考镜的参考光，两束光的反射光合束后发生干涉，条纹调整和扫描模块调整参考镜的偏转姿态，以调整干涉条纹的幅度和偏转角度，使其满足扫描要求时进行扫描，成像模块将干涉光放大成像后传输给处理模块，处理模块将其转化为数字数据并进行解算，重现被测样品的表面三维形貌，另外，被测样品利用样品夹持模块固定且利用对焦模块实现对焦，照明模块、条纹调整和扫描模块和成像模块利用系统固定模块固定，整个系统结构设计紧凑，相比于现有的白光干涉系统，具有体积小、便于集成、易于搬运等优势，该系统既可水平放置又可垂直放置，适合异地测试，照明模块和成像模块的结构设计可以在实现小体积的前提下提供更好的成像质量；参考镜的偏转角度可以实现电动精确调节，系统中所用硬件均由软件直接控制，能够提供定量、精密的调节，无需手动调节。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种用于表面三维形貌测量的白光干涉系统，其特征在于，包括：照明模块、条纹调整和扫描模块、成像模块、处理模块、样品夹持模块、对焦模块以及系统固定模块；其中，

所述照明模块，用于对低相干光进行准直整形；

所述条纹调整和扫描模块，用于调整参考镜的偏转姿态，以调整干涉条纹的幅度和偏转角度，待所述干涉条纹满足扫描要求时进行扫描；

所述成像模块，用于将准直整形后的光分为两束光，一束为照射在被测样品的物光，另一束为照射在所述参考镜的参考光，并将由所述物光的反射光和所述参考光的反射光合束后产生的干涉光放大成像，再将图像传输给所述处理模块；

所述处理模块，用于将接收的图像转化为数字数据并进行解算，重现所述被测样品的表面三维形貌；

所述样品夹持模块，用于固定所述被测样品，使所述被测样品的表面与所述物光垂直；

所述对焦模块，与所述样品夹持模块固定连接，用于调整所述被测样品的位置，使所述成像模块成像清晰；

所述系统固定模块，用于固定所述照明模块、所述条纹调整和扫描模块以及所述成像模块；

所述照明模块，包括：光源、照明光路以及将所述光源和所述照明光路固定在内的第一镜筒；其中，所述照明光路为柯勒照明，包括六组六片镜片，用于对所述光源发出的光进行准直整形；

所述条纹调整和扫描模块，包括：所述参考镜，参考镜底座，移相器，移相器底座，位于所述移相器底座下方的XY方向偏转底座，XY方向偏转电机，位于所述XY方向偏转底座下方的XZ方向偏转底座，XZ方向偏转电机，以及位于所述XZ方向偏转底座下方的安装座；其中，

所述移相器包括U型固定部和插入所述U型固定部内的条形移动部；所述U型固定部固定于所述移相器底座上，所述参考镜通过所述参考镜底座固定在所述条形移动部上，所述条形移动部带动所述参考镜作单方向移动扫描；

所述XY方向偏转电机与所述XY方向偏转底座固定连接，所述XY方向偏转电机的推力端穿过所述XY方向偏转底座中的第一贯穿孔与所述移相器底座沿X轴方向的一端保持接触状态，所述移相器底座沿X轴方向的另一端通过第一转轴结构与所述XY方向偏转底座转动连接；所述XY方向偏转电机穿过所述XY方向偏转底座的部分与所述第一贯穿孔间隙配合，所述第一贯穿孔的中心轴沿Y轴方向；所述第一转轴结构的中心轴沿Z轴方向，所述第一转轴结构由第一固定轴与第一轴承过盈配合组成，所述第一固定轴与所述移相器底座中的第二贯穿孔过渡配合，所述第一轴承与所述XY方向偏转底座中的第三贯穿孔过渡配合；其中，X轴方向为所述条形移动部带动所述参考镜作单方向移动扫描的方向，Y轴方向为水平面内与X轴垂直的方向，Z轴方向为与水平面垂直的方向；

所述XZ方向偏转电机与所述XZ方向偏转底座固定连接，所述XZ方向偏转电机的推力端穿过所述XZ方向偏转底座中的第四贯穿孔与所述XY方向偏转底座沿X轴方向的一端保持接触状态，所述XY方向偏转底座沿X轴方向的另一端通过第二转轴结构与所述XZ方向偏转底座转动连接；所述XZ方向偏转电机穿过所述XZ方向偏转底座的部分与所述第四贯穿孔间隙配合，所述第四贯穿孔的中心轴沿Z轴方向；所述第二转轴结构的中心轴沿Y轴方向，所述第二转轴结构由第二固定轴与第二轴承过盈配合组成，所述第二固定轴与所述XY方向偏转底座中的第五贯穿孔过渡配合，所述第二轴承与所述XZ方向偏转底座中的第六贯穿孔过渡配合；

所述XZ方向偏转电机与所述XY方向偏转电机位于所述XY方向偏转底座与所述XZ方向偏转底座沿X轴方向的同一端，所述第一转轴结构与所述第二转轴结构位于所述XY方向偏转底座与所述XZ方向偏转底座沿X轴方向的同一端；所述移相器底座与所述XY方向偏转底座在设置所述XY方向偏转电机的一端通过第一拉伸弹簧连接，所述XY方向偏转底座连接所述第一拉伸弹簧的连接点比所述移相器底座连接所述第一拉伸弹簧的连接点靠近所述XY方向偏转电机；所述XY方向偏转底座与XZ方向偏转底座在设置所述XY方向偏转电机的一端通过第二拉伸弹簧连接，所述XZ方向偏转底座连接所述第二拉伸弹簧的连接点比所述XY方向偏转底座连接所述第二拉伸弹簧的连接点靠近所述XY方向偏转电机；

所述XZ方向偏转底座设有中心轴沿Z轴方向的第七贯穿孔，所述安装座设有中心轴沿Z轴方向的螺纹孔，所述XZ方向偏转底座与所述安装座通过固定螺钉、所述XZ方向偏转底座中第七贯穿孔和所述安装座中螺纹孔的配合固定连接；所述安装座设有中心轴沿X轴方向的第八贯穿孔，所述安装座通过固定螺钉与所述第八贯穿孔的配合将所述条纹调整和扫描模块安装在所述系统固定模块上。

2.如权利要求1所述的白光干涉系统，其特征在于，所述移相器底座与所述XY方向偏转底座接触的一面设有第一凹槽，所述XY方向偏转底座与所述移相器底座接触的一面设有第二凹槽；

所述第一凹槽用于放置第一极性的磁铁，所述第二凹槽用于放置与第一极性相异的第二极性的磁铁。

3.如权利要求1所述的白光干涉系统，其特征在于，所述XY方向偏转底座与所述XZ方向偏转底座接触的一面设有第三凹槽，所述XZ方向偏转底座与所述XY方向偏转底座接触的一面设有第四凹槽；

所述第三凹槽用于放置第一极性的磁铁，所述第四凹槽用于放置与第一极性相异的第二极性的磁铁。

4.如权利要求1-3任一项所述的白光干涉系统，其特征在于，所述成像模块，包括：分光棱镜、成像光路、将所述成像光路固定在内的第二镜筒、相机以及光路套筒；其中，

所述分光棱镜，封装在空心立方体笼内，用于将准直整形后的光分为两束光，一束为照射在所述被测样品的物光，另一束为照射在所述参考镜的参考光，并将所述物光的反射光和所述参考光的反射光合束；

所述成像光路，包括五组七片镜片，用于将所述物光的反射光和所述参考光的反射光合束后产生的干涉光放大成像到所述相机上；

所述相机，用于将图像传输给所述处理模块；

所述成像光路与所述相机之间由所述光路套筒连接，形成封闭空间。

5.如权利要求4所述的白光干涉系统，其特征在于，所述样品夹持模块，包括：样品夹持座、样品夹片以及压缩弹簧；其中，

所述样品夹持座通过固定螺钉固定在所述对焦模块上；

所述样品夹片通过紧固螺钉固定在所述样品夹持座上；

所述压缩弹簧安装于所述样品夹片与所述紧固螺钉之间。

6.如权利要求5所述的白光干涉系统，其特征在于，所述对焦模块，包括：夹持座固定块和对焦步进电机；其中，

所述样品夹持座通过固定螺钉固定在所述夹持座固定块上；

所述夹持座固定块固定在所述对焦步进电机的移动部分，所述对焦步进电机的移动部分带动所述被测样品移动，使所述成像模块成像清晰。

7.如权利要求6所述的白光干涉系统，其特征在于，所述系统固定模块，包括：L型固定板、系统整体板以及系统支架；其中，

所述第一镜筒和所述第二镜筒分别固定在所述L型固定板的两个外表面，所述空心立方体笼固定在所述L型固定板的内表面；

所述L型固定板与所述相机固定在所述系统整体板的上表面，所述相机位于所述第二镜筒的出光侧；

所述安装座固定在所述系统整体板的侧面，位于所述空心立方体笼背离所述第一镜筒的一侧；

所述样品夹持座位于所述空心立方体笼背离所述第二镜筒的一侧；

所述系统支架固定在所述系统整体板的下表面，所述系统整体板通过所述系统支架被支起；

所述夹持座固定块和所述对焦步进电机位于所述系统整体板的下方。

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