CN220398407U - 一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置，通过采用两台共聚焦显微镜直接定位量块的两个测量面，实现量块长度的测量，无需借助辅助面，避免了采用其他原理单方向测量时存在的量块与辅助面研合间隙造成的测量误差，结果更为准确可靠。本实用新型涉及的一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置采用两台共聚焦显微镜对顶测量的方式，通过定位量块两个测量面实现测量，无需进行全范围扫描，仅需在量块的测量面附近进行慢速扫描，其余位置均可快速移动，在测量长度较长的量块时，可有效提升测量效率。

Description

一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置，属于计量检测技术领域。

背景技术

量块是长度计量的基准，用于测量仪器、量具和精密零件的调整和校正。其制造材料一般为特殊材质的合金钢、陶瓷等，形状为长方体，六个面中有两个相互平行、极为光滑平整的测量面，两面之间具有精确的工作尺寸。量块的主要特点是形状简单、量值稳定、耐磨性好及使用方便等，除可单独作为特定的量值使用外，还可通过研合组成所需的各种不同尺寸使用。根据JJG 146-2011《量块检定规程》，量块长度定义为一个测量面上的任意点到与其相对的另一测量面相研合的辅助体表面之间的垂直距离。辅助体的材料和表面质量应与量块相同。

量块的测量方法可分为光干涉直接测量法和比较检定测量法。光干涉直接测量法使用标准光波波长，把量块测量面当作干涉仪的测量镜面进行测量，典型的仪器是柯氏干涉仪。比较检定测量法采用高等级量块作为标准量，利用高精度测长仪器对低等级量块和标准块长度之间的偏差进行准确测量，常用的仪器有测长机和接触式干涉仪。上述方法及仪器均需借助辅助面实现测量，测量前需将量块与辅助面进行研合，采用单个测头测量量块工作面和辅助面的距离，测量结果易受辅助面材料、表面质量影响。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置，能够精确测量量块的尺寸。

为实现上述目的，本实用新型提供一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置，包括用于放置量块的载物台，载物台的两侧分别设有一个直线运动装置，两个直线运动装置上分别安装有一个共聚焦显微镜，两个共聚焦显微镜在直线运动装置的驱动下相互靠近或远离；每个直线运动装置配置有一个用于测量直线运动装置运动位移的激光干涉仪测距装置；

所述共聚焦显微镜用于采集量块的表面形貌数据，并将采集的数据传输给上位机；所述激光干涉仪测距装置与上位机连接并向上位机反馈直线运动装置的运动位移信号；

所述上位机用于根据量块的表面形貌数据和直线运动装置的位移信号计算得出量块的尺寸参数；所述上位机还用于根据激光干涉仪测距装置反馈的信号控制直线运动装置的运动。

优选地，所述激光干涉仪测距装置包括激光干涉仪、第一反射镜、第二反射镜以及设置在直线运动装置上的末端反射镜，激光干涉仪发出的激光束依次经第一反射镜、第二反射镜反射至末端反射镜，末端反射镜再将激光束沿原路依次经第二反射镜、第一反射镜反射至激光干涉仪。

优选地，所述激光干涉仪与第一反射镜之间的激光束路径垂直于第一反射镜与第二反射镜之间的激光束路径，第二反射镜与末端反射镜之间的激光束路径垂直于第一反射镜与第二反射镜之间的激光束路径。

优选地，所述激光干涉仪设在直线运动装置的下方。

优选地，两个共聚焦显微镜及两个直线运动装置、两个激光干涉仪测距装置对称地设置在载物台两侧。

优选地，两个直线运动装置共线设置，两个共聚焦显微镜的光轴同轴设置。

优选地，所述末端反射镜设在直线运动装置的尾部。

与本实用新型的一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置相应地，本申请还提供一种基于共聚焦显微镜的量块测量方法，采用上述技术方案或其任一优选的技术方案所述的测量装置进行测量作业，包括如下步骤：

1)共聚焦显微镜的物镜焦距标定步骤，包括：

1a)清空载物台，驱动直线运动装置使得两个共聚焦显微镜相向移动至两个共聚焦显微镜的物镜接触的状态，此时，两个共聚焦显微镜的物镜位置标定为零位；

1b)驱动直线运动装置使得两个共聚焦显微镜相离移动，两个共聚焦显微镜分别移动至距离零位为X1和X2的位置；

1c)在载物台上放置标准量块，标准量块的两个测量面之间的距离为L，两个共聚焦显微镜焦距分别为F1和F2；

1d)利用两台共聚焦显微镜对标准量块的两个测量面分别进行扫描测量；

1e)上位机根据扫描测量的结果拟合出标准量块两个测量面的位置，上位机计算得出两个共聚焦显微镜聚焦于标准量块测量面位置时的位移分别为X3和X4；

1f)上位机根据共聚焦显微镜与标准量块之间的运动位移关系得出：F1+F2＝X1+X2-X3-X4-L，并保存F1+F2值完成共聚焦显微镜的物镜焦距标定；

2)测量待测量块长度尺寸的步骤：

2a)清空载物台，驱动直线运动装置使得两个共聚焦显微镜相向移动至两个共聚焦显微镜的物镜接触的状态；

2b)驱动直线运动装置使得两个共聚焦显微镜相离移动，两个共聚焦显微镜分别移动至距离零位为X1’和X2’的位置；

2c)在载物台上放置待测量块，分别移动两个共聚焦显微镜，使两个共聚焦显微镜聚焦于待测量块的两个测量面；

2d)利用两台共聚焦显微镜对待测量块的两个测量面分别进行扫描测量；

2e)上位机根据扫描测量的结果拟合出待测量块两个测量面的位置，上位机计算得出两个共聚焦显微镜聚焦于待测量块测量面位置时的位移分别为X3’和X4’；

2f)上位机根据共聚焦显微镜与待测量块之间的运动位移关系得出：L’＝X1’+X2’-X3’-X4’-F1-F2，上位机再根据保存的F1+F2值计算得出L’的值，即得出待测量块的长度尺寸。

优选地，所述步骤2d)中，两台共聚焦显微镜对待测量块的两个测量面分别进行扫描测量获得测量面的三维形貌参数，上位机根据两个测量面的三维形貌参数得出待测量块的表面粗糙度、平面度、两个测量面的平行度。

如上所述，本实用新型涉及的一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置，具有以下有益效果：使用本实用新型的一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置测量待测量块时，利用激光干涉仪实时记录测量数据，可将测量结果精确溯源；本实用新型涉及的一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置通过采用两台共聚焦显微镜直接定位量块的两个测量面，实现量块长度的测量，无需借助辅助面，避免了采用其他原理单方向测量时存在的量块与辅助面研合间隙造成的测量误差，结果更为准确可靠。本实用新型涉及的一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置采用两台共聚焦显微镜对顶测量的方式，通过定位量块两个测量面实现测量，无需进行全范围扫描，仅需在量块的测量面附近进行慢速扫描，其余位置均可快速移动，在测量长度较长的量块时，可有效提升测量效率。此外，该装置不仅可以测量量块两个测量面之间的距离，还可根据扫描获得的量块测量面表面形貌参数来测量两个测量面平行度、测量面的粗糙度、平面度等参数。由此进行拓展，本实用新型涉及的一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置的测量对象不仅包含量块，还可涵盖任意被测对象两个相对平面之间的距离、夹角、表面的粗糙度、平面度等参数，装置的测量范围可根据测量对象进行灵活配置，最大范围可达到米级。

附图说明

图1显示为本实用新型的一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置示意图。

图2显示为本实用新型的一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置中上位机和激光干涉仪、直线运动装置、共聚焦显微镜的连接示意图。

图3-1至图3-3显示为采用标准量块进行测量系统物镜焦距标定示意图。

图4-1至图4-2显示为采用标定后的测量系统进行量块测量示意图。

图5显示为量块两个测量面拟合位置示意图，2a和2b表示量块测量面实际形貌，2c和2d表示根据量块测量面实际形貌拟合的量块测量面拟合平面。

图6显示为量块一侧测量面的三维形貌示意图。

图7显示为量块另一侧测量面的三维形貌示意图。

元件标号说明

1a 共聚焦显微镜

1b 共聚焦显微镜

2 量块

2a 量块测量面

2b 量块测量面

2c 量块测量面拟合平面

2d 量块测量面拟合平面

3a 直线运动装置

3b 直线运动装置

4a 末端反射镜

4b 末端反射镜

5a 第二反射镜

5b 第二反射镜

6a 第一反射镜

6b 第一反射镜

7a 激光干涉仪

7b 激光干涉仪

8 载物台

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、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，故不具技术上的实质意义，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得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而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，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

如图1和图2所示，本实用新型提供一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置，包括用于放置量块2的载物台8，载物台8的两侧分别设有一个直线运动装置3a/3b，两个直线运动装置3a、3b上分别安装有一个共聚焦显微镜，两台共聚焦显微镜1a、1b在直线运动装置3a、3b的驱动下相互靠近或远离；每个直线运动装置3a/3b配置有一个用于测量直线运动装置3a/3b运动位移的激光干涉仪测距装置；

所述共聚焦显微镜1a、1b用于采集量块2的表面形貌数据，并将采集的数据传输给上位机；所述激光干涉仪测距装置与上位机连接并向上位机反馈直线运动装置3a、3b的运动位移信号；

所述上位机用于根据量块2的表面形貌数据和直线运动装置3a、3b的位移信号计算得出量块2的尺寸参数；所述上位机还用于根据激光干涉仪测距装置反馈的信号控制直线运动装置3a、3b的运动。

使用本实用新型的一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置测量待测量块时，利用激光干涉仪实时记录测量数据，可精准地溯源测量过程及测量结果，测量精度极高；本实用新型涉及的一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置通过采用两台共聚焦显微镜1a、1b直接定位量块的两个测量面，实现量块长度的测量，无需借助辅助面，避免了采用其他原理单方向测量时存在的量块与辅助面研合间隙造成的测量误差，结果更为准确可靠。本实用新型涉及的一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置采用两台共聚焦显微镜1a、1b对顶测量的方式，通过定位量块两个测量面实现测量，无需进行全范围扫描，仅需在量块的测量面附近进行慢速扫描，其余位置均可快速移动，在测量长度较长的量块时，可有效提升测量效率。此外，该装置不仅可以测量量块两个测量面之间的距离，还可根据扫描获得的量块测量面2a、2b表面形貌参数来测量两个测量面平行度、测量面的粗糙度、平面度等参数。由此进行拓展，本实用新型涉及的一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置的测量对象不仅包含量块，还可涵盖任意被测对象两个相对平面之间的距离、夹角、表面的粗糙度、平面度等参数，装置的测量范围可根据测量对象进行灵活配置，最大范围可达到米级。

作为一种优选的实施方式，如图1所示，本实用新型涉及的一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置中，所述激光干涉仪测距装置包括激光干涉仪7a、7b、第一反射镜6a、6b、第二反射镜5a、5b以及设置在直线运动装置3a、3b上的末端反射镜4a、4b，激光干涉仪7a、7b发出的激光束依次经第一反射镜6a、6b、第二反射镜5a、5b反射至末端反射镜4a、4b，末端反射镜4a、4b再将激光束沿原路依次经第二反射镜5a、5b、第一反射镜6a、6b反射至激光干涉仪7a、7b。通过这样的方式，可以使得激光的路径得到折叠，节约空间，激光干涉仪测距装置的尺寸较为紧凑。优选地，所述激光干涉仪7a、7b与第一反射镜6a、6b之间的激光束路径垂直于第一反射镜6a、6b与第二反射镜5a、5b之间的激光束路径，第二反射镜5a、5b与末端反射镜4a、4b之间的激光束路径垂直于第一反射镜6a、6b与第二反射镜5a、5b之间的激光束路径。这样，充分利用了直线运动装置的长度方向的空间来完成激光束的传输，可以将所述激光干涉仪7a、7b设在直线运动装置的下方，将末端反射镜4a、4b设在直线运动装置3a、3b的尾部，第一反射镜6a、6b、第二反射镜5a、5b用于改变激光干涉仪7a、7b发出的光束路径，以充分利用直线运动装置长度方向的空间来完成光束的传输，使得空间得以充分利用，整个装置的尺寸结构紧凑。为了使得本实用新型涉及的一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置整体结构协调，作为一种优选的实施方式，两台共聚焦显微镜1a、1b及两个直线运动装置、两个激光干涉仪测距装置对称地设置在载物台8两侧。这样的对称结构不但能使得本实用新型的一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置整体结构紧凑协调，两个激光干涉仪测距装置和共聚焦显微镜1a、1b均使用相同型号的产品，这样还能够保证对量块的测量更为准确。更进一步地，两个直线运动装置共线设置，两台共聚焦显微镜1a、1b的光轴同轴设置。

作为一种优选的实施方式，直线运动装置采用气浮导轨或直线滑轨作为支承和导向机构，采用伺服电机配合滚珠丝杠或采用直线电机进行驱动，使得共聚焦显微镜1a、1b沿直线运动，借助激光干涉系统实现位移反馈至上位机，通过上位机对直线运动装置发出指令来实现直线运动装置的运动控制。

与本实用新型的一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置相应地，本申请还提供一种基于共聚焦显微镜的量块测量方法，采用上述技术方案或其任一优选的技术方案所述的测量装置进行测量作业，请参考图3-1至图3-3，包括如下步骤：

1)共聚焦显微镜的物镜焦距标定步骤，包括：

1a)清空载物台8，请参考图3-1，驱动直线运动装置3a、3b使得两台共聚焦显微镜1a、1b相向移动至两台共聚焦显微镜1a、1b的物镜接触的状态，此时，两台共聚焦显微镜1a、1b的物镜位置标定为零位；

1b)请参考图3-2，驱动直线运动装置3a、3b使得两台共聚焦显微镜1a、1b相离移动，两台共聚焦显微镜1a、1b分别移动至距离零位为X1和X2的位置；

1c)请参考图3-3，在载物台8上放置标准量块，标准量块的两个测量面之间的距离为L，两台共聚焦显微镜1a、1b焦距分别为F1和F2；

1d)利用两台共聚焦显微镜1a、1b对标准量块的两个测量面分别进行扫描测量；

1e)上位机根据扫描测量的结果拟合出标准量块两个测量面的位置，上位机计算得出两台共聚焦显微镜1a、1b聚焦于标准量块测量面2a、2b位置时的位移分别为X3和X4；

1f)请参考图3-3，上位机根据共聚焦显微镜1a、1b与标准量块之间的运动位移关系得出：F1+F2＝X1+X2-X3-X4-L，并保存F1+F2值完成共聚焦显微镜1a、1b的物镜焦距标定；

2)测量待测量块长度尺寸的步骤：

2a)清空载物台8，驱动直线运动装置3a、3b使得两台共聚焦显微镜1a、1b相向移动至两台共聚焦显微镜1a、1b的物镜接触的状态；

2b)请参考图4-1，驱动直线运动装置使得两台共聚焦显微镜1a、1b相离移动，两台共聚焦显微镜1a、1b分别移动至距离零位为X1’和X2’的位置；

2c)在载物台8上放置待测量块，分别移动两台共聚焦显微镜1a、1b，使两台共聚焦显微镜1a、1b聚焦于待测量块的两个测量面2a、2b；

2d)利用两台共聚焦显微镜1a、1b对待测量块的两个测量面分别进行扫描测量；

2e)上位机根据扫描测量的结果拟合出待测量块两个测量面的位置，上位机计算得出两台共聚焦显微镜1a、1b聚焦于待测量块测量面2a、2b位置时的位移分别为X3’和X4’；

2f)请参考图4-2，上位机根据共聚焦显微镜1a、1b与待测量块之间的运动位移关系得出：L’＝X1’+X2’-X3’-X4’-F1-F2，上位机再根据保存的F1+F2值计算得出L’的值，即得出待测量块的长度尺寸。

上述一种基于共聚焦显微镜的量块测量方法中，通过两个直线运动装置带动两个共聚焦显微镜移动并对量块的两个测量面进行扫描，两个共聚焦显微镜将扫描的数据传输给上位机，上位机根据扫描的数据拟合出量块测量面的表面位置，并计算得出共聚焦显微镜的焦距之和F1+F2的值。

通过上述基于共聚焦显微镜的量块测量方法可以实现对待测量块的长度尺寸的测量，还可以实现对待测量块的形位尺寸参数进行测量，为此，在所述步骤2d)中，两台共聚焦显微镜对待测量块的两个测量面分别进行扫描测量获得测量面的三维形貌参数(请参考图5、图6和图7)，图5显示为量块两个测量面拟合位置示意图，图中标记2a和2b表示量块测量面2a、2b实际形貌，图中标记2c和2d表示根据量块测量面2a、2b实际形貌拟合的量块测量面拟合平面2c、2d，图6和图7显示为量块测量面2a、2b的三维形貌，上位机根据两个测量面的三维形貌参数得出待测量块的表面粗糙度、平面度、两个测量面的平行度。

本实用新型的一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置，采用对顶测量的方式，利用两台共聚焦显微镜实现量块测量面的空间位置定位，进而计算出量块两个测量面的距离，即量块长度。该方法不仅可以精确测量量块长度，还可同时获得量块测量面粗糙度、平面度、两个测量面平行度等参数。装置对量块摆放位置的微小角度偏斜不敏感，即使量块测量面与光轴不垂直也能实现各参数的精确表征，无需进行精确的对准。此外，该装置还可实现除量块外的其他微结构测量。测量数据可通过激光干涉系统溯源至米的定义，保证了量值的准确可靠。

基于上述技术方案，本实用新型的一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置，能够快速方便地对量块长度进行测量。根据当前的技术水平，用于记录测量数据的激光干涉测量系统精度可达1nm，共聚焦显微镜测量精度可达20nm，整套量块测量装置可实现小于30nm的测量精度。此外，该测量系统还可同时实现量块测量面粗糙度、平面度、两个测量面平行度等参数的测量，在提升测量效率的同时，节约了测量成本。量块测量面粗糙度、平面度、两个测量面平行度等参数，通过共聚焦显微镜测得的量块测量面的空间点云数据进行计算，根据ISO-4287、ISO-12085、ISO 12781-2011及ISO1101标准中定义的方法进行评价。由共聚焦显微镜获得的量块测量面的三维形貌如图6和图7所示。

该装置还兼具普通共聚焦显微镜的功能，可实现微结构和参数的超分辨成像，相比普通的光学测量方法，其横向分辨率更高，可对量块测量面的缺陷进行检测和定量分析。该装置还适用于半导体、MEMS加工等领域的微结构测量，助力战略性新兴产业的发展，具有高度的产业利用价值。

综上所述，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种基于共聚焦显微镜的量块测量装置，其特征是，包括用于放置量块的载物台，载物台的两侧分别设有一个直线运动装置，两个直线运动装置上分别安装有一个共聚焦显微镜，两个共聚焦显微镜在直线运动装置的驱动下相互靠近或远离；每个直线运动装置配置有一个用于测量直线运动装置运动位移的激光干涉仪测距装置；

所述共聚焦显微镜用于采集量块的表面形貌数据，并将采集的数据传输给上位机；所述激光干涉仪测距装置与上位机连接并向上位机反馈直线运动装置的运动位移信号；

所述上位机用于根据量块的表面形貌数据和直线运动装置的位移信号计算得出量块的尺寸参数；所述上位机还用于根据激光干涉仪测距装置反馈的信号控制直线运动装置的运动。

2.根据权利要求1所述的基于共聚焦显微镜的量块测量装置，其特征在于：所述激光干涉仪测距装置包括激光干涉仪、第一反射镜、第二反射镜以及设置在直线运动装置上的末端反射镜，激光干涉仪发出的激光束依次经第一反射镜、第二反射镜反射至末端反射镜，末端反射镜再将激光束沿原路依次经第二反射镜、第一反射镜反射至激光干涉仪。

3.根据权利要求1所述的基于共聚焦显微镜的量块测量装置，其特征在于：所述激光干涉仪与第一反射镜之间的激光束路径垂直于第一反射镜与第二反射镜之间的激光束路径，第二反射镜与末端反射镜之间的激光束路径垂直于第一反射镜与第二反射镜之间的激光束路径。

4.根据权利要求1所述的基于共聚焦显微镜的量块测量装置，其特征在于：所述激光干涉仪设在直线运动装置的下方。

5.根据权利要求1所述的基于共聚焦显微镜的量块测量装置，其特征在于：两个共聚焦显微镜及两个直线运动装置、两个激光干涉仪测距装置对称地设置在载物台两侧。

6.根据权利要求1所述的基于共聚焦显微镜的量块测量装置，其特征在于：两个直线运动装置共线设置，两个共聚焦显微镜的光轴同轴设置。

7.根据权利要求2所述的基于共聚焦显微镜的量块测量装置，其特征在于：所述末端反射镜设在直线运动装置的尾部。