CN202794687U - Mirau型物镜及使用该物镜的干涉显微镜和测量系统 - Google Patents

Abstract

一种Mirau型物镜，包括显微镜头、第一干涉板和第二干涉板；第一干涉板和第二干涉板平行放置在显微镜头的下方，且与显微镜头的光轴垂直；第一干涉板在显微镜头和第二干涉板之间；第一干涉板上表面中心设有反射圆斑；第二干涉板的上表面镀有分光膜，该分光膜的反射率是10%～30%。一种使用所述Mirau型物镜的Mirau干涉显微镜，包括光源、聚光镜、视场光阑、单色滤光片、第一分光镜、第二分光镜、工作台和所述Mirau型物镜。一种使用所述的Mirau干涉显微镜的测量系统，包括Mirau干涉显微镜、计算机和摄像机。本实用新型的光路不失调能长期稳定工作，并且实现数字化自动控制的Mirau（米洛）干涉显微镜，而且实现了10^×、20^×以至50^×等一系列放大倍率的Mirau型物镜加工和装配工艺技术。

Description

Mirau型物镜及使用该物镜的干涉显微镜和测量系统

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，具体是一种Mirau型物镜、以及使用该物镜的干涉显微镜和使用该干涉显微镜的测量系统。

背景技术

随着光学工业，半导体材料工业以及机械加工工业的发展，对加工的表面形貌以及光洁度要求越来越高，迫切要求用光学干涉显微镜进行精密测量和检查。光学干涉显微镜的特点是对被检验表面与基准表面进行光波的干涉，形成干涉条纹来精密测量和检验其误差。它的鲜明特点是精密。

Mirau（米洛）干涉显微镜的基本用途主要有：测光学加工表面的半径等形貌指标，尤其是微小光学另件；测光学薄膜厚度；测光学台阶厚度；测光学加工表面的光洁度；测半导体材料的表面的光洁度；测精密机械加工表面的光洁度。

然而我国长期以来是用上海光学仪器厂生产的6JA型干涉显微镜（俄罗斯的同类仪器也属此类）测表面光洁度。它们是基于林立克原理，基准光路和测试光路分别在两条互相垂直的光轴上。其中任何一条光路的误差都引起光路失调，干涉条纹不稳，系统经常不能正常工作。甚至一些单位的6JA型干涉显微镜绝大多数不能工作，维修之后不几天又坏。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提出一种新的系列放大倍率Mirau干涉显微镜。

本实用新型立足于Mirau（米洛）干涉显微镜光路，即基准光路和测试光路的光轴合一，从原理上保证不失调。本实用新型专利的技术方案如下：

一种Mirau型物镜，包括显微镜头、第一干涉板和第二干涉板；第一干涉板和第二干涉板平行放置在显微镜头的下方，且与显微镜头的光轴垂直；第一干涉板在显微镜头和第二干涉板之间；第一干涉板上表面中心设有反射圆斑；第二干涉板的上表面镀有分光膜，分光膜的反射率是10%～30%。

第一干涉板和第二干涉板之间的相对位置固定；它们沿光轴方向以及与光轴垂直方向的位置可调。所述反射圆斑的反射率为100%。两干涉板的上下两表面平行，两干涉板光程长度相等，并作光程配对（现有技术中，加工时的工序，在此不进一步进行限制）。

一种使用所述Mirau型物镜的Mirau干涉显微镜，包括光源、聚光镜、视场光阑、单色滤光片、第一分光镜、第二分光镜、工作台和所述Mirau型物镜；所述光源、聚光镜、视场光阑、单色滤光片和第一分光镜位于第一光轴上，且自后向前依次排列；所述第二分光镜、第一分光镜和所述Mirau型物镜位于第二光轴上，且自上向下依次排列；所述第二分光镜位于第三光轴上；第一光轴和第二光轴相互垂直；第三光轴和第一光轴夹角30°，便于人眼观察；所述第一分光镜与第一光轴和第二光轴都成45°；在第三光轴上设有目镜；用于装载被测物的工作台位于Mirau型物镜的下方。

所述Mirau型物镜包括多个，各个Mirau型物镜倍率不同。本Mirau干涉显微镜的工作模式有白光干涉和单色光干涉.；白光干涉时，单色滤光片移出光路；单色光干涉时，单色滤光片移进光路。所述工作台连接在位置平移驱动装置上；所述位置平移驱动装置是精密步进电机，步进电机的转子连接微调转轮，微调转轮与所述工作台连接。

一种使用所述的Mirau干涉显微镜的测量系统，包括Mirau干涉显微镜、计算机和摄像机；所述Mirau干涉显微镜的工作台连接在位置平移驱动装置上；所述位置平移驱动装置的控制信号输入端连接计算机的控制信号输出端；摄像机固定在所述Mirau干涉显微镜的摄像孔处，摄像机的光轴与Mirau干涉显微镜的第二光轴重合；摄像机的探测面与被测物面干涉场定位面共轭；摄像机的视频信号数据输出端连接所述计算机的数据输入端。

所述位置平移驱动装置是精密步进电机；步进电机的转子通过微调转轮连接所述工作台，步进电机的控制信号输入端连接所述计算机的控制信号输出端

本实用新型的特点在于：是一台光路不失调能长期稳定工作的干涉显微镜，并且实现数字化自动控制的Mirau（米洛）干涉显微镜，而且实现了10^×、20^×以至50^×等一系列放大倍率的Mirau型物镜加工和装配工艺技术。

附图说明

图1是本实用新型实施例的结构示意图；

图2是图1中Mirau型物镜示意图；

图中，计算机1、显微镜2、摄像机3、人眼4、光源La、单色滤光片Fi、聚光镜L、视场光阑PP、被测物S、工作台P、第一分光镜R1、第一干涉板R2、第二干涉板R3、第二分光镜R4、圆斑R21、物镜的显微镜头OB、摄像机的靶面D、步进电机CS、目镜EL。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本技术方案进一步说明如下：

一种Mirau型物镜，包括显微镜头、第一干涉板和第二干涉板，第一干涉板和第二干涉板平行放置在显微镜头的下方，且与显微镜头的光轴垂直，第一干涉板在显微镜头和第二干涉板之间；第一干涉板上表面中心设有反射圆斑；所述第二干涉板的上表面镀有分光膜，分光膜的反射率是10%～30%。第一干涉板和第二干涉板之间的相对位置固定；它们沿光轴方向以及与光轴垂直方向的位置可调。所述反射圆斑的反射率为100%。

一种使用所述Mirau型物镜的Mirau干涉显微镜，包括光源、聚光镜、视场光阑、单色滤光片、第一分光镜、第二分光镜、工作台和所述Mirau型物镜；所述光源、聚光镜、视场光阑、单色滤光片和第一分光镜位于第一光轴上，且自后向前依次排列；所述第二分光镜、第一分光镜和所述Mirau型物镜位于第二光轴上，且自上向下依次排列；所述第二分光镜位于第三光轴上；第一光轴和第二光轴相互垂直；第三光轴和第一光轴夹角约30°便于人眼观察；所述第一分光镜与第一光轴和第二光轴都成45°；在第三光轴上都设有目镜；用于装载被测物的工作台位于Mirau型物镜的下方。所述Mirau干涉显微镜可工作在白光干涉和单色光干涉两种模式.所述Mirau型物镜包括多个，各个Mirau型物镜倍率不同。所述工作台连接在位置平移驱动装置上。所述位置平移驱动装置是精密步进电机，步进电机的转子连接微调转轮，微调转轮与所述工作台连接。

一种使用所述的Mirau干涉显微镜的测量系统，包括Mirau干涉显微镜、计算机和摄像机；所述Mirau干涉显微镜的工作台连接在位置平移驱动装置上；所述位置平移驱动装置的控制信号输入端连接计算机的控制信号输出端；摄像机固定在所述Mirau干涉显微镜的专设摄像孔处.摄像机的光轴与Mirau干涉显微镜的第二光轴重合.摄像机的探测面与被测物面干涉场定位面共轭；摄像机的视频信号数据输出端连接所述计算机的数据输入端。所述位置平移驱动装置是精密步进电机；步进电机的转子通过微调转轮连接所述工作台，步进电机的控制信号输入端连接所述计算机的控制信号输出端。

实施例。

本例以一台任何反射光路的显微镜，例如江南永新集团生产的小型金相显微镜mv2100或大型金相显微镜mv6100等为基础，见图1，光源为卤素灯或白帜灯，光源发出的非相干光，经聚光镜L，视场光阑PP，一个或多个波长的单色滤光片Fi（例如可选上海海光光学元件厂的半宽度为13nm的滤光片），之后，成为相干光。再经第一分光镜R1的反射，进入Mirau物镜。再参看图2，光在第二干涉板R3的上表面反射分为两支光路。第一支光路向上被圆斑R21反射向下到第二干涉板R3的上表面；第二支光路穿过第二干涉板R3到被测物S反射向上穿过第二干涉板R3到达它的上表面，此时第一支与第二支光路会合。由于两支光路存在光程差，便产生干涉。相干光向上穿过第一分光镜R1被第二分光镜R4反射，干涉图像被人眼观察；有一部分相干光穿过第二分光镜R4成像在摄像机（可以选用北京清德公司产品EC300）的探测面D上被探测和采集变为数字信号进入计算机存储，干涉图像同时也显示在计算机的屏幕上。

所述Mirau干涉显微镜可工作在白光干涉和单色光干涉两种模式.当为前者时,单色滤光片Fi被移出光路,宽光谱的白光沿著上述光路,只产生光程差接近于零的2到3条黑白干涉条纹,供精密机械加工表面的测试

计算机给出指令控制精密步进电机CS（例如可选用南京万玛超声电机公司产品）作微小转动，带动显微镜的微调转轮轴转动，使工作台作精密向上或向下的移动（例如0.0006μm/脉冲的移动）形成光的相位差改变，即移相。这时干涉图改变，利用移相算法测出被测物体表面的精密形貌或表面光洁度。

本干涉显微镜采用Mirau型物镜（见图2），该Mirau物镜是整个干涉显微镜系统的核心，特点包括：

1）仅利用普通商品化的长工作距离显微镜头为Mirau物镜的基础，易买易实现。

2）其下方增设两块干涉板第一干涉板R2，第二干涉板R3。该两块干涉板严格加工抛光和配对。

3）第一干涉板R2的上表面中心有一镀膜（100%的反射率）的圆斑R21，直径约1毫米。

4）第二干涉板R3的上表面镀分光膜，反射率约为10%至30%，以至当测试不同被物体时，干涉条纹都有好的对比度。

5）第一干涉板R2、第二干涉板R3之间的轴向距离d23严格控制并可在装配时作微小调节，同时能自锁。

6）第一干涉板R2、第二干涉板R3组合在一起，使其可沿光轴上下微小移动。

7）第一干涉板R2、第二干涉板R3组合在一起，可相对于光轴作微小横向调节，校正横向偏差。

上述结构保证了仪器能长期稳定工作。经试验证明：

1、经过颠簸测试、跌落测试、以及运输过程中的摔碰等后，仪器安装本Mirau型物镜后立即出干涉条纹图像。且本Mirau型物镜始终产生清晰而稳定的干涉条纹图像，Mirau型物镜成像平面与干涉定位面始终能够严格重合。

2、Mirau物镜是10^×，20^×以至50^×等倍率，都按前述技术方案，从而本实用新型实现对一系列倍率的Mirau(米洛)干涉显微镜达到完善的生产和装配工艺处理。

3、参见图1，在本显微镜的光源光路中加入一个或多个波长的普通单色滤光片Fi，从而普通光源La（卤素灯或白帜灯）发出的非相干光经滤光片Fi之后变为相干光，实现了干涉，但又没有用激光作为光源时带来的价格昂贵及相干噪声大的缺点。

4、如图1右侧所示，在工作台的微调转轮T1、T2的任一个，接上精密步进电机CS。该电机的特点是尺寸小且可实现精密微小转动从而带动工作台上下极精密地微小移动（例如0.0006μm/脉冲），实现Mirau物镜与被测物体S表面之间光程的微小相位移动，利用移相算法测出被测物体表面的精密形貌或表面光洁度。

5、如图1所示，在仪器上方成像面处安置数码摄像机，它与计算机相连，获取干涉条纹及其移相变化信息，这些数据信息送入计算机处理。

Claims (9)

1.一种Mirau型物镜，其特征是包括显微镜头、第一干涉板和第二干涉板；第一干涉板和第二干涉板平行放置在显微镜头的下方，且与显微镜头的光轴垂直；第一干涉板在显微镜头和第二干涉板之间；第一干涉板上表面中心设有反射圆斑；第二干涉板的上表面镀有分光膜，该分光膜的反射率是10%～30%。

2.根据权利要求1所述的Mirau型物镜，其特征第一干涉板和第二干涉板之间的相对位置固定；它们沿光轴方向以及与光轴垂直方向的位置可调。

3.根据权利要求1或2所述的Mirau型物镜，其特征是所述反射圆斑的反射率为100%。

4.一种使用权利要求1、2或3任一所述Mirau型物镜的Mirau干涉显微镜，其特征是包括光源、聚光镜、视场光阑、单色滤光片、第一分光镜、第二分光镜、工作台和所述Mirau型物镜；所述光源、聚光镜、视场光阑、单色滤光片和第一分光镜位于第一光轴上，且自后向前依次排列；所述第二分光镜、第一分光镜和所述Mirau型物镜位于第二光轴上，且自上向下依次排列；所述第二分光镜位于第三光轴上；第一光轴和第二光轴相互垂直；第三光轴和第一光轴夹角30°；所述第一分光镜与第一光轴和第二光轴都成45°；在第三光轴上设有目镜；用于装载被测物的工作台位于Mirau型物镜的下方。

5.根据权利要求4所述的Mirau干涉显微镜，其特征是所述Mirau型物镜包括多个，各个Mirau型物镜倍率不同。

6.根据权利要求4所述的Mirau干涉显微镜，其特征是本Mirau干涉显微镜的工作模式有白光干涉和单色光干涉.；白光干涉时，单色滤光片移出光路；单色光干涉时，单色滤光片移进光路。

7.根据权利要求4或5所述的Mirau干涉显微镜，其特征是所述工作台连接在位置平移驱动装置上；所述位置平移驱动装置是精密步进电机，步进电机的转子连接微调转轮，微调转轮与所述工作台连接。

8.一种使用权利要求4～7任一所述的Mirau干涉显微镜的测量系统，其特征是包括Mirau干涉显微镜、计算机和摄像机；所述Mirau干涉显微镜的工作台连接在位置平移驱动装置上；所述位置平移驱动装置的控制信号输入端连接计算机的控制信号输出端；摄像机固定在所述Mirau干涉显微镜的摄像孔处，摄像机的光轴与Mirau干涉显微镜的第二光轴重合；摄像机的探测面与被测物面干涉场定位面共轭；摄像机的视频信号数据输出端连接所述计算机的数据输入端。

9.根据权利要求8所述的测量系统，其特征是所述位置平移驱动装置是精密步进电机；步进电机的转子通过微调转轮连接所述工作台，步进电机的控制信号输入端连接所述计算机的控制信号输出端。

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