CN110360949A - 一种多功能全息干涉测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明的一种多功能全息干涉测量系统，包括：减振平台、调焦装置、载物平台、测量光路模块、下壳体和上壳体，调焦装置和载物平台设置于下壳体内，测量光路模块设置于上壳体内，下壳体固定在减振平台上。减振平台采用弹簧阻尼减振结构，用于实现被动减振的目的。调焦装置采用蜗轮螺杆升降结构，用于实现上壳体内的测量光路模块的上下移动。载物平台用于放置待测样品并实现样品的水平移动，包括：从下至上依次设置的底部粗调部分、纳米压电精调部分和调平部分。测量光路模块用于实现反射式测量和透射式测量。该系统能同时进行反射式测量和透射式测量，整个光路结构紧凑，方便高效。

Description

一种多功能全息干涉测量系统

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及一种多功能全息干涉测量系统。

背景技术

全息技术是基于光的干涉和衍射原理的一种立体成像技术，通过同时获得物光波的振幅和相位信息，记录物体完整的三维信息，从而得到真实的物体形貌。主要过程可以分成两步：全息记录和全息重建。在记录过程中，为得到相干性高的光波，使用分光棱镜将一束激光分成强度相等的两束，其中一束照射被测物体形成衍射光波，我们称该衍射波为物波，另一束不做处理称为参考光波，将这两束光相干涉，产生干涉条纹，将包含物波和振幅信息的干涉条纹以强度形式记录下来，即全息图；重建过程是用符合要求的再现光波照射全息图发生衍射，形成三维立体像。

1948年，汤姆森-休斯顿率先提出了全息技术提高了电子显微镜的分辨率。此后随着激光技术、CCD技术、计算机技术的发展，利用计算机进行全息图采集、数据处理，全息技术不再依赖化学材料记录，传统的全息技术也发展成了数字全息技术。

根据被测物体的性质不同，数字全息技术可以分为反射式干涉记录和透射式干涉记录。两种测量方法的原理相同，但光路稍有不同。透射式测量所需的光学元件更多，调节更为复杂。目前常用的测量仪器为反射式测量仪器，进行透射式测量时反复搭建光路耗时长，操作过程麻烦。

发明内容

本发明的目的是提供一种多功能全息干涉测量系统，以解决当前全息测量仪器不能同时进行反射式测量和透射式测量侧问题，整个光路结构紧凑，方便高效。

本发明提供一种多功能全息干涉测量系统，包括：减振平台、调焦装置、载物平台、测量光路模块、下壳体和上壳体，调焦装置和载物平台设置于下壳体内，测量光路模块设置于上壳体内，下壳体固定在减振平台上；

所述减振平台采用弹簧阻尼减振结构，用于实现被动减振的目的；

所述调焦装置采用蜗轮螺杆升降结构，用于实现上壳体内的测量光路模块的上下移动；

所述载物平台用于放置待测样品并实现样品的水平移动，包括：从下至上依次设置的底部粗调部分、纳米压电精调部分和调平部分；

所述测量光路模块用于实现反射式测量和透射式测量。

本发明的一种多功能全息干涉测量系统，其设置的测量光路模块为一种多功能测量光路，既可实现反射式测量也可实现透射式测量。本发明适用于微小物体的三维表面测量，解决了目前全息干涉测量仪减振性能差，不能同时测量性质不同物体等问题。整个光路结构紧凑，方便高效。

附图说明

图1是本发明一种多功能全息干涉测量系统的结构示意图；

图2是本发明的减振平台构图；

图3是本发明的调焦装置结构图；

图4a是本发明载物平台结构图；

图4b是本发明载物平台的粗调部分的结构图；

图4c是本发明载物平台的调平平台的结构图；

图4d是本发明载物平台的调平平台的剖视图；

图5a是本发明的光路原理图；

图5b是本发明的测量光路模块的结构图；

图6是本发明的测量光路模块的成像装置的结构图；

图7为本发明的测量光路模块的微调反光镜的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的功能全息干涉测量系统进行说明。

如图1所示，本发明的一种多功能全息干涉测量系统，包括：减振平台1、调焦装置2、载物平台3、测量光路模块4、下壳体5和上壳体6，调焦装置2和载物平台3设置于下壳体5内，测量光路模块设置于上壳体6内，下壳体固定在减振平台1上。

所述减振平台1采用弹簧阻尼减振结构，用于实现被动减振的目的；所述调焦装置2采用蜗轮螺杆升降结构，用于实现上壳体6内的测量光路模块4的上下移动；所述载物平台3用于放置待测样品并实现样品的水平移动，包括：从下至上依次设置的底部粗调部分、纳米压电精调部分和调平部分；所述测量光路模块4用于实现反射式测量和透射式测量。

如图2所示，减振平台1包括从下至上设置的底座101、安装面板103和支撑平台106。底座101和安装面板103间设有四个弹簧阻尼单元，分别安装在底座101的四角，所述弹簧阻尼单元由液压阻尼器107和套设在其外部的圆柱螺旋弹簧102构成，液压阻尼器107通过法兰盘分别与底座101、安装面板103连接。所述安装面板103上设有四个蜗轮螺杆升降机构105，在每个蜗轮螺杆升降机构105的螺杆上都设有一个球铰链104，四个球铰链104支撑连接在支撑平台106的四角。

具体实施时，将测量系统放置于支撑平台106上，由于弹簧阻尼单元的存在，将外界的自由振动转换成衰减振动，从而达到被动减振的目的。当支撑平台106不处于水平位置时，通过调节蜗轮螺杆升降机构105使平台的一侧上升或下降。其中球铰链104的作用：由于调节支撑平台106位置后调节支撑平台106平面和蜗轮螺杆升降机构105的蜗轮螺杆平面不能保证垂直关系，无法用螺栓连接。球铰链104可以在空间旋转一定角度，保证支撑平台106和蜗轮螺杆升降机105的有效连接。

如图3所示，所述调焦装置2包括：调焦步进电机201、电机固定架202、第一联轴器203、支撑架204、NGW减速器205、第二联轴器206、小蜗轮螺杆升降机207和大蜗轮螺杆升降机208。所述调焦步进电机201固定在电机固定架202上，电机固定架202安装在下壳体5的底面，调焦步进电机201的输出轴通过第一联轴器203和大蜗轮螺杆升降机208连接，以带动大蜗轮螺杆升降机208快速上下移动；大蜗轮螺杆升降机208和支撑架204连接，以带动支撑架204上下移动，进而实现粗调焦距。所述NGW减速器205和小蜗轮螺杆升降机207通过第二联轴器206连接后固定在支撑架204上，手动旋杆209与NGW减速器205输入轴连接，通过NGW减速器205减速传动带动小蜗轮螺杆升降机207上下移动，实现精调焦距。

具体实施时，通过调焦步进电机201带动大蜗轮螺杆升降机208快速地上下移动，从而实现整个装置上壳体6及上壳体6内部装置的上下移动。通过手动旋杆209调节NGW减速器205的输入轴，由NGW减速器205的输出轴带动小蜗轮螺杆升降机207上下移动，由于两者的传动比都较大，且小蜗轮螺杆升降机207的螺杆导程小可以达到精调的目的。粗调精度可达0.2mm，精调精度可达0.01mm。

如图4a和4b所示，所述载物平台3的粗调部分用于实现XY轴方向的移动，包括：粗调平台底座301、第一轴承座302、第一螺母303、第一螺母连接件304、两根Y轴直线导轨305、Y轴滑块306、第一丝杠307、Y轴联轴器308、第一平键309、Y轴步进电机310、第二轴承座311、第二螺母312、第二螺母连接件313、X轴直线导轨314、上底座315、第二丝杠316、X轴滑块317、上面板318、X轴联轴器319、第二平键320、X轴步进电机321、下面板322。

两根Y轴直线导轨305相互平行固定在粗调平台底座301上，每根Y轴直线导轨上都滑动设置两个Y轴滑块306，Y轴滑块与下面板322固定连接；第一轴承座302固定在粗调平台底座301上，第一螺母303固定在第一螺母连接件304上，第一螺母连接件304与下面板322固定连接，第一螺母303安装在第一丝杠307上，第一丝杠307与Y轴直线导轨305平行设置，且一端安装于第一轴承座302上，另一端通过Y轴联轴器308、第一平键309和Y轴步进电机310的输出轴相连，Y轴步进电机310驱动第一螺母303沿第一丝杠307滑动进而带动下面板322沿Y轴直线导轨做直线运动。

两根X轴直线导轨314相互平行固定在上底座315，每根X轴直线导轨上都滑动设置两个X轴滑块307，X轴滑块与上面板318固定连接；第二轴承座311固定在上底座315，第二螺母固定在第二螺母连接件313上，第二螺母连接件313与上面板318固定连接，第二螺母312安装在第二丝杠316上，第二丝杠316与X轴直线导轨平行设置，且一端安装于第二轴承座311上，另一端通过X轴联轴器319、第二平键320和X轴步进电机321的输出轴相连，X轴步进电机驱动第二螺母沿第二丝杠316滑动进而带动上面板318沿X轴直线导轨做直线运动，上底座315固定在下面板322上；所述纳米压电精调部分为纳米压电平台333，其固定在粗调部分的上面板上，纳米压电平台根据实际位移量进行精调。

如图4c和4d所示，所述调平部分包括从下向上依次设置的调平底板323、压板325、下面板331和上面板332，以及四个螺杆324、四个螺钉326、四个下推力球轴承327、四个滚花螺母328、四个上推力球轴承329、四个螺栓330。

四个螺杆324分别设置在调平底板323四角，压板325套设在螺杆上并通过螺杆下部的第一支撑台支撑固定，调平底板323和压板325通过四个螺钉326定位；下面板331套设在螺杆上并通过螺杆中部的第二支撑台支撑固定，下推力球轴承327和上推力球轴承329分别安装在滚花螺母328的上、下两端，滚花螺母328套设在对应的螺杆上，下推力球轴承327安装在下面板331上，上面板332套设在螺杆上并安装在上推力球轴承329上，上面板332和下面板331通过四个螺栓330定位。

具体实施时，粗调部分通过设置两组丝杠螺母机构实现X\Y两个方向分别调节，纳米压电平台333为外购件，使用时通过外部设备进行控制。过程如下：根据测量时的实际位移要求使用计算机编写合适的算法，计算机将该信号通过pc9000系列模块化压电控制器传递给纳米压电平，实现对纳米压电平台的移动。调平部分，用于达到调节角度的目的，保证射入物体的光能反射回成像装置。

如图5a所示，所述测量光路模块4包括：第一成像装置411、第二成像装置416、干涉装置和图像采集装置409。所述干涉装置包括反射激光光源407、透射激光光源413、第一分光棱镜404、第二分光棱镜402、第一反光镜401、第二反光镜403、第三反光镜414、微调反光镜412、微调补偿物镜410。

进行反射测量时被测物体放置于载物平台3上，激光由反射激光光源407发出经过第二反光镜403反射后进入第一分光棱镜404被分成两束，第一束反射光通过第一成像装置411照射到载物台3的样品上，样品的反射光再经过第一成像装置411、第一分光棱镜404、微调补偿物镜410到达图像采集装置409形成物光；第一分光棱镜404输出的第二束透射光通过第二成像装置416、微调反光镜412反射后，再通过第二成像装置416、第一分光棱镜404、微调补偿物镜410后到达图像采集装置409形成参考光，物光和参考光之间形成离轴干涉，利用图像采集装置409记录得到反射式测量的干涉全息图。

进行透射测量时，先调节微调反光镜412的角度，直至计算机上出现清晰的干涉条纹；此时激光由透射激光光源413发出经过第三反光镜414、第二分光棱镜402被分成两束，其中一束透射光经过第一反光镜401反射后通过被测物体、第一成像装置411、第一分光棱镜404、微调补偿物镜410到达图像采集装置409形成物光，另一束反射光通过微调反光镜412、第二成像装置411、第一分光棱镜404、微调补偿物镜410到达图像采集装置409形成参考光，物光和参考光之间形成离轴干涉，利用图像采集装置记录得到透射式测量的干涉全息图。

如图5b所示，所述第一反光镜401、第二分光棱镜402、第三反光镜414和透射激光光源413固定在下壳体5的底部，所述第二反光镜403、微调反光镜412固定于上壳体6中，所述反射激光光源407、丝杠螺母结构415固定于固定面板408后再通过螺钉与上壳体6固定，所述微调补偿物镜410固定于丝杠末端，通过外部旋钮控制螺母，微调补偿物镜410会随着丝杠移动，所述第一分光棱镜404放置于分光棱镜架405中，再固定于固定面板408上，所述第一成像装置411和第二成像装置416焊接于分光棱镜架405上；图像采集装置409固定在上壳体中位于微调补偿物镜410上方。

具体实施时，所述图像采集装置409通过数据线连接计算机，计算机通过Matlab软件编写程序对干涉全息图进行处理。图像采集装置409为OLYMPUS E-M5 Mark相机，有效像素4000万。第一成像装置411和第二成像装置416结构相同，物镜分别为10倍物镜，工作距离为10.5mm的普通物镜；50倍物镜，工作距离27mm的长工作距离物镜；100倍物镜，工作距离26mm的长工作距离物镜。反射激光光源407和透射激光光源413是波长为633mm的半导体激光，有很好的相干性。第一分光棱镜404和第二分光棱镜402均为普通能量分光棱镜。

如图6所示，所述第一成像装置411和第二成像装置416结构相同，都包括10倍物镜501、第一滚珠502、连接件503、第一螺钉504、50倍物镜505、100倍物镜506、成像下壳507、第二滚珠508、成像上壳509。所述第二滚珠508安装于成像下壳507的凹槽中，以减小成像下壳507和成像上壳509转动时的摩擦力。所述第一滚珠502放置于连接件503的轴肩上，第一滚珠502另一端通过成像下壳507固定，并通过第一螺钉504将连接件503、滚珠502、成像下壳507、成像上壳509连接起来；所述10倍物镜501、50倍物镜505、100倍物镜506通过螺纹与成像下壳507相配合安装。

如图7所示，所述微调反光镜412包括底部固定面板601、第三轴承座602、第三丝杠603、第三导轨604、反光镜固定板605、丝杠螺母606、反光镜607、固定架608、锥齿轮轴609、第三滑块610、第四轴承座611。

两根第三导轨604相互平行固定于底部固定面板601上，第三导轨604上设有第三滑块610，反光镜固定板605两端分别与对应的滑块连接，反光镜607安装在固定架608上，固定架608安装在反光镜固定板605上。所述第三丝杠603设置在两根第三导轨604之间且与第三导轨604平行，第三丝杠603两端分别通过第三轴承座602和第四轴承座611固定在底部固定面板601上，通过手动调节锥齿轮轴609使相啮合的锥齿轮转动，锥齿轮与第三丝杠603连接，从而带动第三丝杠603转动，进而带动反光镜固定板605移动。

采用本发明的多功能全息干涉测量系统采集全息干涉图的步骤如下：

1、将所述减振平台1、调焦装置2、载物平台3、测量光路模块4按照一定顺序装配完成之后，再集中装配到壳体内，壳体采用焊接的方式连接。

2、将被测物体放到载物平台上，根据被测物体的性质选择测量方式以及相应的物镜放大倍数，调节成像装置411。再打开对应的激光，以及图像采集装置409。调节微调补偿物镜410、微调反光镜412，直至计算机捕捉到清晰的干涉条纹。

3、对获得的全息图进行图像处理，获得被测物体的三维重建图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多功能全息干涉测量系统，其特征在于，包括：减振平台、调焦装置、载物平台、测量光路模块、下壳体和上壳体，调焦装置和载物平台设置于下壳体内，测量光路模块设置于上壳体内，下壳体固定在减振平台上；

所述减振平台采用弹簧阻尼减振结构，用于实现被动减振的目的；

所述调焦装置采用蜗轮螺杆升降结构，用于实现上壳体内的测量光路模块的上下移动；

所述载物平台用于放置待测样品并实现样品的水平移动，包括：从下至上依次设置的底部粗调部分、纳米压电精调部分和调平部分；

所述测量光路模块用于实现反射式测量和透射式测量。

2.如权利要求1所述的多功能全息干涉测量系统，其特征在于，所述减振平台包括从下至上设置的底座、安装面板和支撑平台；

底座和安装面板间设有四个弹簧阻尼单元，分别安装在底座的四角，所述弹簧阻尼单元由液压阻尼器和套设在其外部的圆柱螺旋弹簧构成，液压阻尼器通过法兰盘分别与底座和安装面板连接；

所述安装面板上设有四个蜗轮螺杆升降机构，在每个蜗轮螺杆升降机构的螺杆上都设有一个球铰链，四个球铰链支撑连接在支撑平台的四角。

3.如权利要求1所述的多功能全息干涉测量系统，其特征在于，所述调焦装置包括：调焦步进电机、电机固定架、第一联轴器、支撑架、手动旋杆、NGW减速器、第二联轴器、小蜗轮螺杆升降机和大蜗轮螺杆升降机；所述调焦步进电机固定在电机固定架上，电机固定架安装在下壳体的底面，调焦步进电机的输出轴通过第一联轴器和大蜗轮螺杆升降机连接，以带动大蜗轮螺杆升降机快速上下移动；大蜗轮螺杆升降机和支撑架连接，以带动支撑架上下移动，进而实现粗调焦距；所述NGW减速器和小蜗轮螺杆升降机通过第二联轴器连接后固定在支撑架上，手动旋杆与NGW减速器的输入轴连接，通过NGW减速器减速传动带动小蜗轮螺杆升降机上下移动，实现精调焦距。

4.如权利要求1所述的多功能全息干涉测量系统，其特征在于，所述载物平台的粗调部分用于实现XY轴方向的移动，包括：粗调平台底座、第一轴承座、第一螺母、第一螺母连接件、两根Y轴直线导轨、Y轴滑块、第一丝杠、Y轴联轴器、第一平键、Y轴步进电机、第二轴承座、第二螺母、第二螺母连接件、X轴直线导轨、上底座、第二丝杠、X轴滑块、上面板、X轴联轴器、第二平键、X轴步进电机、下面板；

两根Y轴直线导轨相互平行固定在粗调平台底座上，每根Y轴直线导轨上都滑动设置两个Y轴滑块，Y轴滑块与下面板固定连接；第一轴承座固定在粗调平台底座上，第一螺母固定在第一螺母连接件上，第一螺母连接件与下面板固定连接，第一螺母安装在第一丝杠上，第一丝杠与Y轴直线导轨平行设置，且一端安装于第一轴承座上，另一端通过Y轴联轴器、第一平键和Y轴步进电机的输出轴相连，Y轴步进电机驱动第一螺母沿第一丝杠滑动进而带动下面板沿Y轴直线导轨做直线运动；

两根X轴直线导轨相互平行固定在上底座，每根X轴直线导轨上都滑动设置两个X轴滑块，X轴滑块与上面板固定连接；第二轴承座固定在上底座，第二螺母固定在第二螺母连接件上，第二螺母连接件与上面板固定连接，第二螺母安装在第二丝杠上，第二丝杠与X轴直线导轨平行设置，且一端安装于第二轴承座上，另一端通过X轴联轴器、第二平键和X轴步进电机的输出轴相连，X轴步进电机驱动第二螺母沿第二丝杠滑动进而带动上面板沿X轴直线导轨做直线运动，上底座固定在下面板上；所述纳米压电精调部分为纳米压电平台，其固定在粗调部分的上面板上，纳米压电平台根据实际位移量进行精调。

5.如权利要求4所述的多功能全息干涉测量系统，其特征在于，所述调平部分包括从下向上依次设置的调平底板、压板、下面板和上面板，以及四个螺杆、四个螺钉、四个下推力球轴承、四个滚花螺母、四个上推力球轴承、四个螺栓；

四个螺杆分别设置在调平底板四角，压板套设在螺杆上并通过螺杆下部的第一支撑台支撑固定，调平底板和压板通过四个螺钉定位；下面板套设在螺杆上并通过螺杆中部的第二支撑台支撑固定，下推力球轴承和上推力球轴承分别安装在滚花螺母的上、下两端，滚花螺母套设在对应的螺杆上，下推力球轴承安装在下面板上，上面板套设在螺杆上并安装在上推力球轴承上，上面板和下面板通过四个螺栓定位。

6.如权利要求1所述的多功能全息干涉测量系统，其特征在于，所述测量光路模块包括：第一成像装置、第二成像装置、干涉装置和图像采集装置；所述干涉装置包括反射激光光源、透射激光光源、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一反光镜、第二反光镜、第三反光镜、微调反光镜、微调补偿物镜；

进行反射测量时被测物体放置于载物平台上，激光由反射激光光源发出经过第二反光镜反射后进入第一分光棱镜被分成两束，第一束反射光通过第一成像装置照射到载物台的样品上，样品的反射光再经过第一成像装置、第一分光棱镜、微调补偿物镜到达图像采集装置形成物光；第一分光棱镜输出的第二束透射光通过第二成像装置、微调反光镜反射后，再通过第二成像装置、第一分光棱镜、微调补偿物镜后到达图像采集装置形成参考光，物光和参考光之间形成离轴干涉，利用图像采集装置记录得到反射式测量的干涉全息图；

进行透射测量时，先调节微调反光镜的角度，直至计算机上出现清晰的干涉条纹；此时激光由透射激光光源发出经过第三反光镜、第二分光棱镜被分成两束，其中一束透射光经过第一反光镜反射后通过被测物体、第一成像装置、第一分光棱镜、微调补偿物镜到达图像采集装置形成物光，另一束反射光通过微调反光镜、第二成像装置、第一分光棱镜、微调补偿物镜到达图像采集装置形成参考光，物光和参考光之间形成离轴干涉，利用图像采集装置记录得到透射式测量的干涉全息图。

7.如权利要求6所述的多功能全息干涉测量系统，其特征在于，所述第一反光镜、第二分光棱镜、第三反光镜和透射激光光源固定在下壳体的底部，所述第二反光镜、微调反光镜固定于上壳体中，所述反射激光光源、微调补偿物镜固定于固定面板后再通过螺钉与上壳体固定，所述第一分光棱镜放置于分光棱镜架中，再固定于固定面板上，所述第一成像装置和第二成像装置焊接于分光棱镜架上；图像采集装置固定在上壳体中位于微调补偿物镜上方。

8.如权利要求6所述的多功能全息干涉测量系统，其特征在于，所述第一成像装置和第二成像装置结构相同，都包括10倍物镜、第一滚珠、连接件、第一螺钉、50倍物镜、100倍物镜、成像下壳、第二滚珠、成像上壳；所述第二滚珠安装于成像下壳的凹槽中，以减小成像下壳和成像上壳转动时的摩擦力；所述第一滚珠放置于连接件的轴肩上，第一滚珠另一端通过成像下壳固定，并通过螺钉将连接件、第二滚珠、成像下壳、成像上壳连接起来；所述10倍物镜、50倍物镜、100倍物镜通过螺纹与成像下壳相配合安装。

9.如权利要求6所述的多功能全息干涉测量系统，其特征在于，所述微调反光镜包括底部固定面板、第三轴承座、第三丝杠、第三导轨、反光镜固定板、丝杠螺母、反光镜、固定架、锥齿轮轴、第三滑块、第四轴承座；

两根第三导轨相互平行固定于底部固定面板上，第三导轨上设有第三滑块，反光镜固定板两端分别与对应的滑块连接，反光镜安装在固定架上，固定架安装在反光镜固定板上；

所述第三丝杠设置在两根第三导轨之间且与第三导轨平行，第三丝杠两端分别通过第三轴承座和第四轴承座固定在底部固定面板上，丝杠螺母套设在第三丝杠上，反光镜固定板底端中部与丝杠螺母固定连接，通过手动调节锥齿轮轴使与其相啮合的锥齿轮转动，进而带动与锥齿轮同轴固定的第三丝杠转动，进而带动反光镜固定板移动。