CN101458073A - 一种基于激光显微干涉的多功能测量装置 - Google Patents
一种基于激光显微干涉的多功能测量装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了激光显微干涉多功能测量装置，该测量装置由激光显微干涉原理的位移测量装置、触针位移检测装置及光电接收器组成。从半导体激光器发出的光，经透镜、孔径光栏、视场光栏后，再经透镜后变成一束平行光，分光棱镜将其分成两束，一束光经过显微物镜射向参考镜，另一束光经另一个显微物镜射向被测面或接触位移检测测量头的反射组件上，反射后的参考光束和被测光束在分光镜的分光面处相遇，并产生干涉条纹。干涉条纹由光电接收器接收。本发明具有测量精度高、测量功能多、结构简单、成本低等特点。该测量头可用于对超精密表面的粗糙度，MEMS器件的几何尺寸、形状、振动等的接触或非接触测量，测量范围为0～100um、分辨率可达0.02nm。该装置可装纳米探针，实现纳米形貌的测量。
Description
技术领域
本发明属于测量装置技术领域，具体涉及一种基于激光显微干涉可接触/非接触测量表面粗糙度、微位移、微振动等的多功能测量装置。
背景技术
表面测量可大致分为接触式测量和非接触式测量，接触式测量和非接触测量各有自己的优缺点和应用领域，所以有必要研究接触和非接触两用测量头。目前，国内外对表面形貌的接触式和非接触式两用测量仪基本上是用两种不同测量原理的传感器进行拼合而成。如英国的Talyscan150是电感式轮廓仪和激光三角法测量仪的组合；华中科技大学研制的接触与非接触两用***，[[1]Lu SF，Gao Y.S，Xie T.B.A novel contact/non-contact hybridmeasurement system for surface topography characterization.Int.J.MachineTools anufact.41，2001，P2001-2009]，接触式测量采用的是电感式传感器，非接触式测量采用的是改进型的傅科刀口法；由同测量原理的传感器进行拼合而成的测量***主要问题是：由于是不同测量原理拼合而成，其资源共用程度不高，结构复杂。华中科技大学研制的基于白光干涉的表面形貌接触和非接触两用测量***[[2]Yun Jianping，Yang Xudong，Xie Tiebang.Acontact and non-contact hybrid profilometer with large range.Wuhan UniversityJournal of Natural Sciences，12(6)，2007，P1066-1072]，接触与非接触位移测量使用同一套白光干涉计量***，但是该***结构复杂、量程小、速度慢。
与传统干涉测量技术相比，显微干涉测量测得的量值可直接溯源到长度基准，具有表面信息直观、测量精度高等特点。目前，国内外用于表面微观形貌测量的激光显微干涉测量的产品均是非接触测量表面形貌。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于激光显微干涉的多功能测量装置，该多功能测量装置可以接触测量精密表面粗糙度，非接触测量精密表面粗糙度和微小器件的微振动，并且具有结构简单、测量精度高、测量功能多、成本低的特点。
本发明提供的一种基于激光显微干涉的多功能测量装置，其特征在于：它包括位移测量装置、触针位移检测装置和光电接收器；
位移测量装置的结构为：半导体激光器、第一、第二透镜、孔径光栏、视场光栏和第三透镜依次排列，构成分光棱镜的入射光路，第一补偿镜、参考显微物镜和参考镜依次位于分光棱镜的水平透射光路上，第二补偿镜和测量显微物镜依次位于分光棱镜的反射光路上，参考光和被测光两路返回光在分光棱镜分光点处重新相遇产生干涉，放大镜位于分光棱镜的干涉光路中；
触针位移检测装置的结构为：十字簧片铰链固定在机架上，测杆活动安装在十字簧片铰链上，触针固定在测杆的一端，在测杆上安装有反射组件，且位于触针的上方，测杆的另一端与弹簧的一端连接，弹簧的另一端固定在机架上；机架的连接轴安装在调整支架上，调整支架安装在支承座内，调整支架的连接轴安装在第一连接座，支承座、调整支架和第一连接座上分别设置有调整螺钉；
光电接收器位于放大镜的轴线上。
本发明的基于激光显微干涉的多功能测量装置，可以实现接触/非接触测量表面粗糙度、微位移、微振动，两种测量方法可共用一种位移计量、信号处理***，不同于以往使用不同原理的传感器实现接触/非接触表面测量的方法。该激光显微干涉测量装置测得的量值可直接溯源到长度基准，具有测量精度高、测量功能多、结构简单、成本低等特点。该多功能测量装置可用于超精密表面的粗糙度，MEMS器件的几何尺寸、形状、振动等的非接触测量，也可进行接触测量，该传感器测量范围为0～100um、分辨率可达0.02nm。该装置可装纳米探针，实现纳米形貌的测量。
附图说明
图1为本发明基于激光显微干涉多功能测量装置的结构示意图；
图2为激光显微干涉的光学原理图；
图3为第一光路补偿组件的结构示意图；
图4为第二光路补偿组件的结构示意图。
具体实施方式
下面通过借助以下实施例将更加详细说明本发明，且以下实施例仅是说明性的，本发明并不受这些实施例的限制。
本发明提供的多功能测量装置包括位移测量装置、触针位移检测装置和光电接收器。位移测量装置基于激光显微干涉原理实现，光电接收器用于干涉条纹的拾取及信号处理。在进行非接触测量时，触针位移检测装置可以卸掉，在进行接触测量时，将触针位移检测装置安装到位移测量装置上。该测量装置可以实现接触/非接触测量粗糙度、微位移、微振动的测量。该装置可装纳米探针，实现纳米形貌的测量。
如图1所示，触针位移检测装置由触针1、测杆3、套筒4、十字铰链5、弹簧6、机架7、挡板9、支承座13、调整支架14及反射组件等组成。
十字簧片铰链5通过螺钉10、11固定在机架7上，测杆3安装在十字簧片铰链5上，测杆3可以绕十字簧片铰链5做无摩擦力转动。触针1固定在测杆3的一端，在测杆3上安装有反射组件，且位于触针1的上方。测杆3的一端与弹簧6的一端连接，弹簧6的另一端通过螺柱12固定在机架7上，弹簧6可使测杆保持平衡。机架7装在第三套筒4中。
机架7的连接轴装在调整支架14的孔中，调整支架14装在支承座13内，调整支架14的连接轴装在第一连接座17的孔中，调整螺钉8、15、16分别装在支承座13、调整支架14和第一连接座17上。第一连接座17和第二连接座18通过螺钉固定在一起，从而将触针位移检测装置固定在第二连接座18上。
松开调整螺钉16，调整螺钉8通过支承座13、可以使调整支架14上下移动，带动机架7整体移动，使平面反射镜2在测量显微物镜40的焦点位置。调整螺钉15可以使机架7左右移动。
测杆3可以绕十字簧片铰链5做无摩擦力转动，从而提高测杆的运动精度和灵敏度。
反射组件可以由第一平面反射镜2构成，触针1固定在测杆3的一端，第一平面反射镜2固定在测杆3上，且位于触针1的上方。为了扩大量程，反射组件也可以由角锥棱镜和第二平面反射镜构成。角锥棱镜固定在测杆3上，且位于触针1的上方，第二平面反射镜位于角锥棱镜和测量显微物镜40的之间，测量光束经由角锥棱镜到达第二平面反射镜后由原路返回，入射到测量显微物镜40视场内。由于测量光束经物镜聚焦，可聚到纳米探针的测量臂上，因此触针和反射组件也可以用纳米探针代替，实现纳米形貌的测量。
位移测量装置的结构为：分光棱镜37和第一、第二光路补偿组件26、39均安装在框架38内，第一光路补偿组件26位于分光棱镜37的一侧，第二光路补偿组件39位于分光棱镜37的下方。第一、第二连接筒28、36，以及第一、第二套筒42、43均固定在框架38上。
第一连接筒28位于分光棱镜37的上方，其内依次安装有放大镜29，光电接收器27，光电接收器27位于放大镜29的轴线上，位移方向和测量方向在一条直线上。
第二连接筒36位于分光棱镜37的另一侧，半导体激光器35，第一、第二透镜34、33，孔径光栏32，视场光栏31，以及第三透镜30由远至近依次固定在第二连接筒36内。
第一套筒43位于第一光路补偿组件26的一侧，参考显微物镜24安装在第一套筒43内。参考镜调节杆19安装在第二连接座18上，参考镜座20的连接轴安装在参考镜调节杆19内。参考镜调节杆19伸缩可以带动参考镜座20左右移动，从而改变参考光参考镜23的位置，使参考镜23在参考显微物镜24的焦点位置。参考镜座20在参考镜调节杆19内转动，可以调整参考镜23的倾角，从而改变干涉条纹的宽窄、方向。手轮22安装在支承轴21，参考镜23固定在支承轴21上，支承轴21安装在参考镜座20上。转动手轮22可以使参考镜23转动，改变参考镜23的反射率。
第二套筒42位于第二光路补偿组件39下方，测量显微物镜40安装在第二套筒42内。
第一光路补偿组件26包括第一旋转轴25、第一补偿镜44和第一补偿镜座45，第一旋转轴25固定在第一补偿镜44的两端，两者一起安装在第一补偿镜座45内。第二光路补偿组件39包括第二旋转轴41、第二补偿镜46和第二补偿镜座47，其结构与第一光路补偿组件26相同。调整旋转轴25、41可以改变补偿镜44、46的倾角，从而改变参考光和测量光的光程。
在上述结构中，第一补偿镜44、参考显微物镜24和参考镜23依次位于分光棱镜37的水平透射光路上，第二补偿镜46和测量显微物镜40依次位于分光棱镜37的反射光路上，参考光和被测光两路返回光在分光棱镜分光点处重新相遇产生干涉，放大镜29位于分光棱镜37的干涉光路中。
如图2所示，激光显微干涉位移测量的原理是：从半导体激光器35发出的光，经透镜34、33、孔径光栏31、视场光栏30、透镜30后变成一束平行光射向分光棱镜37，分光棱镜37将光分成两束，一束经补偿镜44和显微物镜24后射向参考镜23，参考镜23将光反射并沿原路返回；分光镜37射出的另一束光经补偿镜46和显微物镜40后射向被测面，被测面的反射光沿原路返回，在分光镜37分光面与参考光束相遇，并产生干涉条纹。在进行非接触表面测量时，光电接收器27采用CCD摄像机，利用相移干涉法测量。在进行非接触测量微位移、微振动时，条纹移动量由四象限光电管接受及信号处理电路处理后输出。在进行接触测量时，测量光照射到平面反射镜2上并沿原路返回，在分光棱镜37的分光面与参考光束相遇，产生干涉条纹，条纹移动量由四象限光电管接受及信号处理电路处理后输出。当被测面上下移动或触针1带动平面反射镜2上下移动λ/2，干涉条纹相移为2π，即变化一个周期。该激光显微干涉位移测量方法以光波波长为测量基准，测得的量值可直接溯源到长度基准。
通过旋转第一、第二旋转轴25、41，可以改变参考光路和被测光路中补偿镜44、46的倾角，在测量前，通过调整补偿镜倾角使两路光程相等。另外，通过转动参考镜座20，可以调整参考镜23的倾角，从而调整参考光路的光程，改变干涉条纹的宽窄、方向。还可以转动手轮22可以使参考镜23转动，改变参考镜23的反射率。
上述的光电接收器27，当进行非接触表面形貌测量时，光电接收器27采用CCD，利用相移干涉法测量。当进行微位移、微振动的非接触测量和接触测量表面粗糙度，微位移、微振动时，光电接收器27采用田字型对称式四象限排列方式的光电管。这种排列允许条纹的形状与宽度在一定范围内发生变化，光电管对称性好，参数一致，获取干涉条纹信号集中，因而能极大地抑制直流信号，获取高信噪比的光电差分信号。光电接收器27输出的电信号经过去直流，差分放大和细分、辨向后送给后续处理电路和计算机。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (6)
1、一种基于激光显微干涉的多功能测量装置，其特征在于：它包括位移测量装置、触针位移检测装置和光电接收器(27)；
位移测量装置的结构为：半导体激光器(35)、第一、第二透镜(34、33)、孔径光栏(32)、视场光栏(31)和第三透镜(30)依次排列，构成分光棱镜(37)的入射光路，第一补偿镜(44)、参考显微物镜(24)和参考镜(23)依次位于分光棱镜(37)的水平透射光路上，第二补偿镜(46)和测量显微物镜(40)依次位于分光棱镜(37)的反射光路上，参考光和被测光两路返回光在分光棱镜分光点处重新相遇产生干涉，放大镜(29)位于分光棱镜(37)的干涉光路中；
触针位移检测装置的结构为：十字簧片铰链(5)固定在机架(7)上，测杆(3)活动安装在十字簧片铰链(5)上，触针(1)固定在测杆(3)的一端，在测杆(3)上安装有反射组件，且位于触针(1)的上方，测杆(3)的另一端与弹簧(6)的一端连接，弹簧(6)的另一端固定在机架(7)上；机架(7)的连接轴安装在调整支架(14)上，调整支架(14)安装在支承座(13)内，调整支架(14)的连接轴安装在第一连接座(17)，支承座(13)、调整支架(14)和第一连接座(17)上分别设置有调整螺钉(8、15、16)；
光电接收器(27)位于放大镜(29)的轴线上。
2、根据权利要求1所述的基于激光显微干涉的多功能测量装置，其特征在于：
第一补偿镜(44)通过第一旋转轴(25)固定在第一补偿镜座(45)内，构成第一光路补偿组件(26)；第二补偿镜(46)通过第二旋转轴(41)固定在第二补偿镜座(47)内，构成第二光路补偿组件(39)。
3、根据权利要求2所述的基于激光显微干涉的多功能测量装置，其特征在于：
分光棱镜(37)和第一、第二光路补偿组件(26)、(39)均安装在框架(38)内，第一光路补偿组件(26)位于分光棱镜(37)的一侧，第二光路补偿组件(39)位于分光棱镜(37)的下方；
第一套筒(43)位于第一光路补偿组件(26)的一侧，参考显微物镜(24)安装在第一套筒(43)内；参考镜调节杆(19)安装在第二连接座(18)上，参考镜座(20)的连接轴安装在参考镜调节杆(19)上，手轮(22)安装在支承轴(21)，参考镜(23)固定在支承轴(21)上，支承轴(21)安装在参考镜座(20)上。
4、根据权利要求1、2或3所述的基于激光显微干涉的多功能测量装置，其特征在于：所述触针(1)和反射组件采用纳米探针实现。
5、根据权利要求1、2或3所述的基于激光显微干涉的多功能测量装置，其特征在于：所述反射组件为第一平面反射镜(2)。
6、根据权利要求1、2或3所述的基于激光显微干涉的多功能测量装置，其特征在于：所述反射组件由角锥棱镜和第二平面反射镜构成，角锥棱镜固定在测杆(3)上，且位于触针(1)的上方，第二平面反射镜位于角锥棱镜和测量显微物镜(40)的之间。
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