CN204255304U - 一种三维表面轮廓测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种三维表面轮廓测量装置。该装置包括光源、同轴照明观察装置、干涉物镜、面阵CCD相机、PZT、载物台。照明光路出射光朝向分光棱镜，分光棱镜的反射光朝向干涉物镜；PZT与干涉物镜依次同轴设置在分光棱镜的反射光轴方向上；干涉物镜与成像镜头设置在分光棱镜的两侧，构成干涉成像光路；面阵CCD相机设置在同轴照明观察装置的上方；干涉成像光路与照明光路通过分光棱镜衔接于一体，构成同轴照明观察装置；该三维表面轮廓测量装置结构简单，测量精度高。
Description
技术领域
本实用新型涉及表面轮廓测量技术领域，具体是一种可工作在移相干涉和白光干涉垂直扫描两种工作模式的表面轮廓测量装置。
背景技术
近年来，随着精细加工技术的不断进步，尤其是在半导体纳米制程工艺、微机电系统、纳米复合材料、超精密加工等领域，迫切需要零件三维表面微观轮廓测量的相关技术和测量仪器。而且三维表面微观轮廓由于能更全面、更真实地反映零件表面的特征及衡量表面的质量而越来越受到重视，因此三维表面微观轮廓的测量就越显重要。
干涉显微技术是光学干涉技术和显微技术相结合的产物，通过在干涉系统中增加显微放大系统，提高干涉图的横向分辨率，使之能够完成微纳结构的三维表面轮廓测量。移相干涉技术和在此基础上发展起来的白光干涉垂直扫描技术是两种常见的干涉显微测量技术。移相干涉技术可以亚纳米级的分辨率测量光滑和连续的表面高度，但其存在的问题是表面连续高度差不能超过光源波长的1/4。白光干涉垂直扫描技术克服了移相干涉技术表面高度测量范围的限制，可用于测量光滑表面和适度粗糙表面的高度。
对于精细的物体表面轮廓测量，干涉显微技术具有快速、非接触等优点。公开号为CN101050949的中国专利文献公开了一种利用移相显微干涉术测量大视场物体微观表面三维形貌。但这种测量装置的测量模式单一，且存在体积较大，抗干扰能力较差等问题。
发明内容
本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种新的三维表面轮廓测量装置，具有结构简单紧凑、测量精度高等特点。
实现实现上述目的，本实用新型采用的技术解决方案为：
一种三维表面轮廓测量装置，包括光源、同轴照明观察装置、干涉物镜、面阵CCD相机、PZT、载物台、单色滤光片。同轴照明观察装置使用同轴落射式柯勒照明结构，包括集光镜、反射镜和聚光镜；同时同轴照明观察装置内藏分光棱镜和焦距200mm的成像镜头。PZT与干涉物镜依次同轴设置在分光棱镜的反射光轴方向上。干涉物镜与成像镜头设置在分光棱镜的两侧，构成干涉成像光路。面阵CCD相机设置在同轴照明观察装置的上方。干涉成像光路与照明光路通过分光棱镜衔接于一体，构成同轴照明观察装置；载物台设置在干涉物镜的下方。
在上述装置中，光源采用LED或者其他光源。
在上述装置中，光源发出的光线依次途经集光镜、反射镜和聚光镜形成准直均匀光束。反射镜与光轴成45°角放置，将照明光路折转90°，使照明光路出射光朝向分光棱镜。分光棱镜的分束面与干涉成像光路的光轴成45°角设置，使照明光路出射光经分光棱镜反射的光朝向干涉物镜。
在上述装置中，干涉物镜可选用Michelson结构、Mirau结构和Linnik结构中的一种。
在上述装置中，PZT驱动干涉物镜沿光轴纵向扫描或者PZT沿光轴驱动样品载物台带动被测工件移动进行扫描以改变干涉物镜与被测工件之间的光程。
该测量装置可工作在白光干涉垂直扫描和单色光移相干涉两种模式。当为前者时，单色滤光片移出照明光路，宽带光源(例如白光)作为照明光源；当为后者时，通过安装单色滤光片实现移相干涉模式单色光源的切换。
本实用新型与现有技术相比，其显著优点：
1.本实用新型表面轮廓测量装置可工作在宽带光源(例如白光)垂直扫描和单色光移相干涉两种工作模式，即一台设备可提供两种测量方式。当为前者时，单色滤光片移出照明光路；当为后者时，单色滤光片移进照明光路。
2.照明光路中加入反射镜用于折转光路，减小了体积，简化了结构，使得装置结构紧凑，尤其在横向上的尺寸大大减小，从而减轻了振动的影响，从而能够显著提高测量精度。
附图说明
图1是三维表面轮廓测量装置的结构示意图。
图2是Mirau型干涉物镜的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示为本装置的结构示意图，包括光源1、同轴照明观察装置、Mirau型干涉物镜4、面阵CCD相机6、PZT7、载物台9、单色滤光片11等。同轴照明观察装置使用同轴落射式柯勒照明结构2，包括沿照明光轴方向依次设置的集光镜201、反射镜202和聚光镜203，实现对被测工件8的照明；同时同轴照明观察装置内藏分光棱镜3和焦距200mm的成像镜头5。照明光路出射光朝向分光棱镜3，分光棱镜的反射光朝向Mirau干涉物镜4。PZT7与Mirau型干涉物镜4依次同轴设置在分光棱镜3的反射光轴方向上。Mirau型干涉物镜4与成像镜头5设置在分光棱镜3的两侧，构成干涉成像光路。面阵CCD相机6设置在同轴照明观察装置的上方。干涉成像光路与照明光路通过分光棱镜3衔接于一体，构成同轴照明观察装置。被测工件8安放在载物台9上。载物台9设置在Mirau型干涉物镜4的下方。
如图1所示，光源1发出的光线依次途经集光镜201、反射镜202和聚光镜203后，形成准直均匀光束。反射镜202与光轴成45°角放置，将照明光路折转90°，使得照明光路出射光朝向分光棱镜3。分光棱镜3的分束面与干涉成像光路的光轴成45°角设置，使照明光路出射光经分光棱镜3反射的光朝向Mirau型干涉物镜4。Mirau型干涉物镜4使由分光棱镜3反射的光束在光轴方向上汇聚而照射于被测工件8，并且使从被测工件8反射得到的测量光束与从干涉物镜内部得到的参考光束相干涉。干涉光从所述干涉物镜4返回后，依次途经分光棱镜3和成像镜头5后，聚焦在CCD相机6靶面上，形成干涉条纹。PZT7驱动Mirau型干涉物镜4沿光轴纵向扫描(或PZT沿光轴驱动样品载物台9带动被测工件移动进行纵向扫描)得到干涉图像。
如图2所示为Mirau型干涉物镜的结构示意图，包括显微物镜401、参考板402、分光板403和参考板上的反射区域404。来自光学系统前端的光束经显微物镜401后透过参考板402，然后经分光板403上半反半透膜分成两束，一束被分光板403反射到参考板402上的反射区域404，由反射区域404反射后回到分光板403再次被反射，最后透过参考板402回到物镜401，形成参考光。另一束透过分光板403投射到被测工件，经被测工件反射后经分光板403和参考板402回到显微物镜401上，形成测试光。两束光在物镜401视场中会合发生干涉。
该测量装置可工作在垂直扫描和单色光移相干涉两种模式。当为前者时，单色滤光片移出照明光路，宽带光源作为照明光源。当为后者时，通过安装单色滤光片实现移相干涉模式单色光源的切换。
当装置工作在单色光移相干涉模式时，Mirau干涉物镜与PZT精密移动机构沿光轴方向用螺纹固联，当PZT沿光轴精密移动时，带动Mirau干涉物镜上下运动，改变Mirau干涉物镜与载物台上被测工件之间的光程，从而改变相位实现移相。移相干涉算法借助于适当的程序将表面相位图转换为样品高度分布图。
当装置工作在白光干涉垂直扫描模式时，样品表面各点处于最佳焦点位置时可得到最大干涉条纹对比度。PZT沿光轴驱动样品载物台带动被测工件进行扫描，表面上的每一个点会通过对焦点，利用白光干涉的零级条纹来指示零光程差的位置，通过检测干涉条纹包络峰值从而获得各点的相对高度进而重构出三维表面轮廓图。
Claims (7)
1.一种三维表面轮廓测量装置，其特征在于：包括光源(1)、同轴照明观察装置、干涉物镜(4)、面阵CCD相机(6)、PZT(7)、载物台(9)、单色滤光片(11)；同轴照明观察装置使用同轴落射式柯勒照明结构(2)，包含沿照明光轴方向依次设置的集光镜(201)、反射镜(202)和聚光镜(203)，实现对被测工件(8)的照明；同时同轴照明观察装置内藏分光棱镜(3)和焦距200mm的成像镜头(5)；PZT(7)与干涉物镜(4)依次同轴设置在分光棱镜(3)的反射光轴方向上；干涉物镜(4)与成像镜头(5)设置在分光棱镜(3)的两侧，构成干涉成像光路；面阵CCD相机(6)设置在同轴照明观察装置的上方；干涉成像光路与照明光路通过分光棱镜(3)衔接于一体，构成同轴照明观察装置；载物台(9)设置在干涉物镜(4)的下方。
2.根据权利要求1所述的一种三维表面轮廓测量装置，其特征在于：光源(1)发出的光线在同轴落射式柯勒照明结构(2)内部依次途经集光镜(201)、反射镜(202)和聚光镜(203)形成准直均匀光束。
3.根据权利要求1所述的三维表面轮廓测量装置，其特征在于：同轴落射式柯勒照明结构(2)中的反射镜(202)与光轴成45°角放置，将照明光路折转90°使照明光路出射光朝向分光棱镜(3)。
4.根据权利要求1所述的三维表面轮廓测量装置，其特征在于：分光棱镜(3)的分束面与干涉成像光路的光轴成45°角设置，使照明光路出射光经分光棱镜(3)反射的光朝向干涉物镜(4)。
5.根据权利要求1所述的三维表面轮廓测量装置，其特征在于：干涉物镜(4)可选用Michelson结构、Mirau结构和Linnik结构中的一种。
6.根据权利要求1所述的三维表面轮廓测量装置，其特征在于PZT(7)驱动干涉物镜(4)沿光轴纵向扫描或者PZT沿光轴驱动样品载物台(9)带动被测工件移动进行扫描以改变干涉物镜(4)与被测工件(8)之间的光程。
7.根据权利要求1所述的三维表面轮廓测量装置，其特征在于：该测量装置工作在白光干涉垂直扫描和单色光移相干涉两种模式；当为前者时，单色滤光片(11)移出照明光路，宽带光源作为照明光源；当为后者时，安装单色滤光片(11)实现移相干涉模式单色光源的切换。
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| CN106123804A (zh) * | 2016-06-18 | 2016-11-16 | 上海大学 | 便携式全自动连续变焦显微图像测量装置 |
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