CN215930818U - 一种高精度表面平整度测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度表面平整度测量仪，以解决现有技术对于大尺寸部件表面平整度的高精度测量成本较高、实施困难等问题。该高精度表面平整度测量仪包括固定台面、第一测距传感器、运动模块、运动模块垂直位移检测装置和计算机，固定台面用于放置待测部件，第一测距传感器与运动模块相对固定，所述运动模块垂直位移检测装置用于在第一测距传感器测距扫描的过程中同步检测运动模块在垂直于待测部件表面方向的位移量；运动模块垂直位移检测装置的输出端和第一测距传感器的输出端分别对应接计算机的两个数据输入端，用于提供表面平整度数据计算的补偿量。本实用新型可实现对大尺寸部件表面平整度的高精度检测，实施简便、成本较低。

Description

一种高精度表面平整度测量仪

技术领域

本实用新型涉及表面检测设备领域，具体涉及一种表面平整度测量仪。

背景技术

在生产加工的一些场景中，对部件表面的平整度有时候会有非常严苛的要求，例如用于贴合晶圆进行研磨抛光的陶瓷盘，其表面平整度需要做到微米级甚至更低。通常在小范围内，高精度的平整度检测可以通过干涉法进行表面测量，或者通过高精度的运动模块带动传感器或者物体对物体表面进行扫描采集，以得到物体表面平整度的状况评估。但有些部件可能自身体积较大，目前上述方法很难完成高精度的测量。具体来说：

干涉一次性面扫描的方式：干涉测量通常可以对整面进行测量，这样可以消除传感器扫描过物体时由于自身行进抖动带来的影响读数跳动影响。但对于越大面积的平整度测量，就需要越大尺寸的透镜组和参考镜来完成整个干涉光路，其成本是非常昂贵的甚至是不可行的。

运动模块带动传感器(或待测部件)扫描的方式：通过相对移动，传感器对物体表面完成形貌扫描。典型的一种平整度测量仪器具体如图1所示，包括固定台面1、运动模块2、第一测距传感器4和计算机(图中未画出)，其中固定台面1用于放置待测部件3，第一测距传感器4与运动模块2相对固定，用于随运动模块沿平行于待测部件表面的方向移动实现测距扫描。传感器可以是接触式传感器，也可以如激光传感器、共焦传感器、干涉传感器此类的非接触传感器。通常在传感器精度较高的情况下(精度误差＜1微米)，这样的平整度测量仪器的精度反而受限于运动模块移动的精度。即使使用气浮导轨等方式减少运动摩擦和震动，在运动跨度比较大时，由于运动造成的上下波动在其全量程上仍可达到数微米。特别是当运动量程越来越大时，此类的波动也会随之变大。因此制作一个运动非常稳定波动小于1微米的运动模块是非常困难且昂贵的。

实用新型内容

为此，本实用新型提供一种高精度表面平整度测量仪，以解决现有技术对于大尺寸部件表面平整度的高精度测量成本较高、实施困难等问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种高精度表面平整度测量仪，包括固定台面、第一测距传感器、运动模块和计算机，所述固定台面用于放置待测部件，所述第一测距传感器与运动模块相对固定，用于随运动模块沿平行于待测部件表面的方向移动实现测距扫描；所述计算机用于计算并输出待测部件的表面平整度数据，计算机的第一数据输入端接第一测距传感器的输出端；其特殊之处在于，所述高精度表面平整度测量仪还包括运动模块垂直位移检测装置，用于在第一测距传感器测距扫描的过程中同步检测运动模块在垂直于待测部件表面方向的位移量；所述运动模块垂直位移检测装置的输出端接所述计算机的第二数据输入端，用于提供表面平整度数据计算的补偿量。

优选地，所述待测部件水平放置于固定台面上；所述第一测距传感器固定安装于运动模块的下部。

优选地，所述运动模块垂直位移检测装置的一种具体结构是：包括第二测距传感器和参考平板，所述参考平板与待测部件表面平行，并相对于所述固定台面位于运动模块的另一侧；所述第二测距传感器与运动模块相对固定，用于测量其与参考平板之间的距离，作为所述运动模块垂直位移检测装置的输出端接所述计算机的第二数据输入端。

进一步优选地，所述第二测距传感器固定安装于运动模块的上部。

可选地，所述高精度表面平整度测量仪还配置有参考面标定组件，包括光栅尺、光栅尺激光发射器以及光栅尺接收器，用于预先标定参考平板的表面不平整信息；在标定环节时，光栅尺取代第一测距传感器固定安装于运动模块的下部，光栅尺激光发射器与光栅尺接收器分别位于光栅尺的两侧，并布置于运动模块的行程范围之外。

可选地，所述参考平板采用大理石磨平抛光横柱。

可选地，所述运动模块垂直位移检测装置的另一种具体结构是：所述运动模块垂直位移检测装置包括光栅尺、光栅尺激光发射器以及光栅尺接收器；所述光栅尺固定安装于运动模块的上部，光栅尺激光发射器与光栅尺接收器分别位于光栅尺的两侧，并布置于运动模块的行程范围之外；所述光栅尺接收器的输出端作为所述运动模块垂直位移检测装置的输出端接所述计算机的第二数据输入端。

可选地，所述第一测距传感器为接触式传感器或非接触传感器(例如激光传感器、共焦传感器、干涉传感器)。

可选地，所述第二测距传感器为接触式传感器或非接触传感器(例如激光传感器、共焦传感器、干涉传感器)。

进一步优选地，所述第二测距传感器与第一测距传感器为相同型号的传感器。

本实用新型具有如下优点：

本实用新型提供了一种经济有效的、可运用于大表面被测部件的高精度平整度测量仪系统结构，其中增设了运动模块垂直位移检测装置，对现有的平整度测量传感器扫描运动中产生的随机跳动量进行了便捷的测量，通过此同步收集到的跳动量，对平整度测量传感器测量获取的物体表面数据进行补偿，从而提升其检测精度，实施简便、成本较低；并且可以不用考虑运动模块的跳动，极大地拓展了扫描量程。

本实用新型优选的方案中，通过两个相反安置的传感器和一个参考面结构，可完成对运动模块行走过程中产生上下跳动波动的采集，用于对物体表面采集到的平整度值进行补偿，实施更为简便、成本更低。

附图说明

为了更清楚地说明现有技术以及本实用新型，下面将对现有技术以及本实用新型实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为现有技术的结构原理示意图；

图2为本实用新型的第一实施例的结构原理示意图；

图3为基于本实用新型的第一实施例的标定环节(可选)的原理示意图；

图4为本实用新型的第二实施例的结构原理示意图。

附图标号说明：

1-固定台面；2-运动模块；3-待测部件；4-第一测距传感器；5-第二测距传感器；6-参考平板；7-光栅尺；8-光栅尺激光发射器；9-光栅尺接收器。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区别指代的对象，而不存在对重要程度的强调等。此外，术语“包括”、“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包括了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于已明确列出的那些步骤或单元，而是还可包含虽然并未明确列出的但对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元，或者基于本实用新型构思进一步的优化方案所增加的步骤或单元。

如图2、图4的两个实施例所揭示的，本实用新型的高精度表面平整度测量仪包括固定台面1、运动模块2、第一测距传感器4和计算机(图中并未画出)，待测部件3水平放置于固定台面1上，第一测距传感器4固定安装于运动模块2的下部，用于随运动模块沿平行于待测部件3表面的方向移动实现测距扫描；计算机用于计算并输出待测部件的表面平整度数据，计算机的第一数据输入端接第一测距传感器的输出端；高精度表面平整度测量仪还包括运动模块垂直位移检测装置，用于在第一测距传感器测距扫描的过程中同步检测运动模块在垂直于待测部件表面方向的位移量；运动模块垂直位移检测装置的输出端接计算机的第二数据输入端，用于提供补偿量参与表面平整度数据的计算。通过此同步收集到的跳动量，对平整度测量传感器测量获取的物体表面数据进行补偿，从而提升其检测精度，实施简便、成本较低；并且可以不用考虑运动模块的跳动，极大地拓展了扫描量程。

需要说明的是，基于本实用新型提出的硬件架构，具体如何进行补偿计算显然本领域技术人员是清楚的，在此不再赘述。本实用新型并不涉及数据处理具体方法的改进。

本实用新型的第一实施例如图2所示，其中运动模块垂直位移检测装置的具体结构是：包括第二测距传感器5和参考平板6，参考平板6与待测部件3表面平行，并相对于固定台面1位于运动模块的另一侧；第二测距传感器固定安装于运动模块的上部，用于测量其与参考平板之间的距离，作为运动模块垂直位移检测装置的输出端接计算机的第二数据输入端。

运动模块在运动过程中可能会有微小的抖动造成第一测距传感器4和第二测距传感器5同时上下抖动，虽然第一测距传感器4测到的被测部件表面起伏信息也包含了第一测距传感器4自身上下跳动的距离信息，但第二测距传感器5相对于参考平板6的抖动被捕捉，所以第一测距传感器4自身上下跳动的距离信息可以从反装的第二测距传感器5获得并予以扣除。只要参考平板的平整度足够好，就能够确保被测部件表面平整度测量的精度。

对于更高精度测量的需求，即便参考平板(参考面)在大跨度范围内也可能存在不完全平整，但此不平整和运动模块行走时跳动是不同的，前者是稳定的，而后者是随机的，即此参考面某一处若存在2μm凹陷区，此区域一直会是凹陷2μm的。而运动模块运动中产生的运动起伏是相对随机的。通常参考面可用质地坚硬稳定的大理石磨平抛光横柱。

为此，本实用新型实施例还提供了一种用来测量参考面自身的表面平整度的标定方案，将此固定不变的不平整信息，计算代入将来测量被测物时需要进行的补偿值。如图3所示，在独立于水平运动模块的地方架设光栅尺激光发射器8和光栅尺接收器9，然后把光栅尺7安装在运动模块2上。当运动模块水平移动产生上下跳动时，该跳动信息会被光栅尺接收器所记录。同时，对着参考面的传感器也会同步记录一组到参考面距离的读数。此读数即包含了参考面可能存在的不平整而造成到传感器的距离变化，也包含了传感器随着运动模块移动产生的上下跳动距离。因此只需将传感器读取的数值扣除光栅尺测到的运动模块上下跳动的值，剩余的距离变化即是参考面的平整度变化。

上述参考面标定组件(光栅尺7、光栅尺激光发射器8以及光栅尺接收器9)可作为标定工装，与测量仪的主体部分一起作为成套的测量仪器。在标定环节时，光栅尺取代第一测距传感器固定安装于运动模块的下部，光栅尺激光发射器与光栅尺接收器分别位于光栅尺的两侧，并布置于运动模块的行程范围之外。

由此，可以引申出又一种平整度检测仪(第二实施例)，即通过光栅尺来实时同步测量运动模块跳动的信息来进行反馈补偿。如图4所示，运动模块垂直位移检测装置的另一种具体结构是：运动模块垂直位移检测装置包括光栅尺7、光栅尺激光发射器8以及光栅尺接收器9；光栅尺7固定安装于运动模块2的上部，光栅尺激光发射器8与光栅尺接收器9分别位于光栅尺的两侧，并布置于运动模块2的行程范围之外；光栅尺接收器的输出端作为所述运动模块垂直位移检测装置的输出端接计算机的第二数据输入端。这一方案也能够对现有的平整度测量传感器扫描运动中产生的随机跳动量进行了便捷的测量，通过此同步收集到的跳动量，对平整度测量传感器测量获取的物体表面数据进行补偿，从而提升其检测精度，并且可以不用考虑运动模块的跳动，极大地拓展了扫描量程。不过通常此种方案的实施成本通常会高于前述第一种方案。

上述第一测距传感器和第二测距传感器可以是接触式传感器，也可以是非接触传感器(例如激光传感器、共焦传感器、干涉传感器)。通常，建议第二测距传感器与第一测距传感器采用相同型号的传感器。

本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，仅为便于叙述的明了，而并非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当视为本实用新型可实施的范畴。

上文中通过一般性说明及具体实施例对本实用新型作了较为具体和详细的描述。应当指出的是，在不脱离本实用新型构思的前提下，显然还可以对这些具体实施例作出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高精度表面平整度测量仪，包括固定台面、第一测距传感器、运动模块和计算机，所述固定台面用于放置待测部件，所述第一测距传感器与运动模块相对固定，用于随运动模块沿平行于待测部件表面的方向移动实现测距扫描；所述计算机用于计算并输出待测部件的表面平整度数据，计算机的第一数据输入端接第一测距传感器的输出端；

其特征在于，所述高精度表面平整度测量仪还包括运动模块垂直位移检测装置，用于在第一测距传感器测距扫描的过程中同步检测运动模块在垂直于待测部件表面方向的位移量；所述运动模块垂直位移检测装置的输出端接所述计算机的第二数据输入端，用于提供表面平整度数据计算的补偿量。

2.根据权利要求1所述的高精度表面平整度测量仪，其特征在于，所述待测部件水平放置于固定台面上；所述第一测距传感器固定安装于运动模块的下部。

3.根据权利要求1或2所述的高精度表面平整度测量仪，其特征在于，所述运动模块垂直位移检测装置包括第二测距传感器和参考平板，所述参考平板与待测部件表面平行，并相对于所述固定台面位于运动模块的另一侧；所述第二测距传感器与运动模块相对固定，用于测量其与参考平板之间的距离，作为所述运动模块垂直位移检测装置的输出端接所述计算机的第二数据输入端。

4.根据权利要求3所述的高精度表面平整度测量仪，其特征在于，所述第二测距传感器固定安装于运动模块的上部。

5.根据权利要求4所述的高精度表面平整度测量仪，其特征在于，所述高精度表面平整度测量仪还配置有参考面标定组件，包括光栅尺、光栅尺激光发射器以及光栅尺接收器，用于预先标定参考平板的表面不平整信息；在标定环节时，光栅尺取代第一测距传感器固定安装于运动模块的下部，光栅尺激光发射器与光栅尺接收器分别位于光栅尺的两侧，并布置于运动模块的行程范围之外。

6.根据权利要求3所述的高精度表面平整度测量仪，其特征在于，所述参考平板采用大理石磨平抛光横柱。

7.根据权利要求1或2所述的高精度表面平整度测量仪，其特征在于，所述运动模块垂直位移检测装置包括光栅尺、光栅尺激光发射器以及光栅尺接收器；所述光栅尺固定安装于运动模块的上部，光栅尺激光发射器与光栅尺接收器分别位于光栅尺的两侧，并布置于运动模块的行程范围之外；所述光栅尺接收器的输出端作为所述运动模块垂直位移检测装置的输出端接所述计算机的第二数据输入端。

8.根据权利要求1所述的高精度表面平整度测量仪，其特征在于，所述第一测距传感器为接触式传感器或非接触传感器。

9.根据权利要求3所述的高精度表面平整度测量仪，其特征在于，所述第二测距传感器为接触式传感器或非接触传感器。

10.根据权利要求9所述的高精度表面平整度测量仪，其特征在于，所述第二测距传感器与第一测距传感器为相同型号的传感器。

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