CN103383247A - 一种光学检测***及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学检测***及装置，所述***包括由上至下依次排列的激光器、非偏振分光镜、偏振分光镜、透反镜及测量透镜；非偏振分光镜位置水平对应光电接收器A，透反镜与测量透镜之间固定有λ/4波片，偏振分光镜位置水平对应光电接收器B。本发明设计的光学检测***及装置解决了现有用于表面形貌测量的光学检测装置及非接触式显微测头，抗干扰能力不强、分辨力有限等问题。

Description

一种光学检测***及装置

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，具体涉及一种基于多光束干涉原理的一种光学检测***及装置。

背景技术

在干涉显微测量表面形貌的领域，可以分为接触式与非接触式测量方法。其中接触式测量方法有隧道效应法、光束偏转法、偏振光干涉法、电容式法。常用的非接触式测量显微镜测头结构有Linnik、Mechelson、Mirau几种。

接触式测量中隧道效应技术发展成熟，且灵敏度极高，在空气中测量时达到了横向3nm和垂直0.1nm的分辨力；但是其针尖易氧化、同时STM对微悬臂背面污染和微悬臂弯曲时产生的横向位移很敏感，从而影响测量精度，且STM的测量***相对复杂，目前已经很少使用。光束偏转法测量精度高结构简单，对微悬臂安装的要求低，信噪比好，适用范围广，但精度达不到原子级要求。干涉测量法可以精确到光波波长的几分之一甚至几十分之一，因此是目前精确度最高的测量方法，适合于微悬臂位置检测。电容器测量的必须是皮法量级电容，因此电容器移动诱导的温度及微悬臂背面的粗糙度都会限制检侧器对距离的灵敏度，导致检测精度稍差。接触式测量都采用探针与测试样品表面接触，沿其表面扫描移动。在扫描过程中，探针因为样品表面微观高低起伏而产生垂直于样品表面的微位移。由于表面微观几何形状的信息是通过触针传入传感器中，因此触针的几何形状对测量的影响很大，直接影响输入信号的真实程度，所以触针一直是设计和制造者考虑的重要因素。根据触针法的测量原理，理想的针尖半径为0，才能探测到微观不平度谷底，有可能描绘出真实的轮廓。但实际上针尖越尖，被测表面上产生的压力越大，不仅针尖容易磨损，而且容易划伤表面，破坏表面性能，因此只有具有一定尖端半径的针尖才能进行测量。接触式方法的测量结果不仅与针尖端圆角半径和几何形状有关，而且与测量力、触针移动速度、触针接触变形和被测表面的结构有关。这些接触式测量方法在测量时针尖可能会对测量样品造成损伤，不适用于无损检测，在测量一些精密元件表面粗糙度时不如非接触式测量。

对与非接触式测量方法：Linnik结构对两个显微物镜的匹配程度要求较高，如果匹配不好，会受到物镜的球差和色差的影响而使干涉效果下降，分辨力降低，并且参考光路与测量光路的光程比较长，参考镜和样品分离较远，容易受到空气扰动和机械振动的影响，抗干扰能力弱。

Mechelson和Mirau结构必需要使物镜的工作距离足够长才可以实现，因此只能用数值孔径小、倍率小的显微物镜，因此分辨力不会太高。

发明内容

本发明为了解决现有用于表面形貌测量的光学检测装置及非接触式显微测头，抗干扰能力不强、分辨力有限等问题。设计了一种光学检测***及装置。

本发明是通过以下技术方案实现解决上述技术问题的：一种光学检测***，所述***包括由上至下依次排列的激光器、非偏振分光镜、偏振分光镜及透反镜，非偏振分光镜一侧固定与其水平对应的光电接收器A。透反镜下方固定有λ/4波片，偏振分光镜一侧固定与其水平对应的光电接收器B。非偏振分光镜与光电接收器A之间固定有透镜A及针孔光阑A。偏振分光镜与光电接收器B之间固定有透镜B及针孔光阑B。透反镜的透过率为60%，且上、下表面分别镀有增透膜和反射膜。激光器通过光隔离器连接耦合器，耦合器通过保偏光纤连接光纤尾纤。λ/4波片下方固定有测量透镜。

非偏振分光镜（NPBS）作用及原理：NPBS有两个作用：1）光纤引入的线偏振光通过NPBS后，一部分入射到PBS然后进入干涉腔， 2）从多光束干涉腔出射的P光干涉信号通过PBS后被NPBS分光，并由光电接收器A接收。

偏振分光镜(PBS) 作用及原理：偏振分光镜PBS的作用是实现P偏振光和S偏振光的分离，保证多光束干涉***差动干涉信号的分离，使得光电接收器A、B上分别接收到相位相反的差动信号，从而提高装置的灵敏度和分辨力，具体作用如下：1）保证入射到多光束干涉***为P偏振光；2）保证出射干涉***的P偏振的干涉信号通过PBS后进入到NPBS反射后被光电接A接收；3）将出射干涉***的S偏振的干涉信号反射到光电接收器B接收。

透反镜作用及原理：透反镜作为多光束干涉腔的上下表面是实现多光束干涉的核心光学元件，其上表面镀增透膜，下表面镀反射膜，实现光束的部分反射与透射。其透反率直接决定了探测到的差动干涉信号强度的差异，也就决定整个***的灵敏度和分辨力。

λ/4波片作用及原理：λ表示激光波长，该元件实现光束偏振态的转换，即P偏振光与S偏振光的在多次干涉时候的转换，从而保证P偏振光和S偏振光的分别干涉。

测量透镜作用及原理：该透镜用于汇聚光束，其数值孔径及焦距等的参数决定了被测样品和装置间的距离，以及光斑在被测样品上的大小。如果被测平面较大不需要汇聚光束，也可不使用该透镜。

光电接收器作用及原理：光电接收器采用光伏模式的器件，该类器件短路电流与光照强度在一定范围内呈线性关系，且无暗电流，噪音更小，不受工作温度的影响，因此这种方式常用于光强的绝对测量。

透镜、针孔光阑以及光电接收器组成共焦光电接收***。其有益效果为：1）便于测头***找到工作区域和测量位置。当整个多光束干涉***调试完成，每次更换被测样品后，只需调节垂直方向测头***相对于被测表面的距离，即调整L形元件基板即可，当光电接收器接收到信号强度达到最大时，即证明该测头装置已经进入了工作区域，可以进行测试。2） 针孔光阑还可以有效的滤除杂散光，从而提高光电接收器接收到的信号的信噪比。3）共焦的***的横向分辨力约为普通光学***的1.4倍，因而共焦光电接收的设计可以有效提高该***的横向分辨力。

其有益效果为：入射的线偏振光经由非偏振分光棱镜后，偏振态保持不变，光强变为入射光强的二分之一。一部分进入到偏振分光棱镜，保证入射光的偏振态与偏振分光棱镜透射光的偏振态一致，保证几乎所有的光全部透射而没有损失。激光经由偏振分光镜后入射到透反镜，这一光学镜片的作用是，使一部分光反射回去而另一部分光透射。多光束干涉的干涉腔的上下表面均由该透反镜担当，腔长的变化是由被测表面位置所决定的。干涉腔的上下表面均由同一块透反镜担当，P光和S光间隔出射，因而P光干涉形成的是亮背景下的暗条纹，而S光干涉得到是暗背景下的亮条纹。这两组干涉光恰好相差180°相位，因而形成差动。差动式的设计可以有效的提高整个多光束干涉***的干涉信号强度，为实现高分离奠定了基础。

整个腔长的变化是由被测表面的起伏变化所引起的，腔长的变化是被测表面起伏变化的2倍。在此多光束干涉***中，光学分辨力达到了λ/4，其中λ表示激光波长，这一倍频式的设计是本发明保证原子级分辨力的关键技术之一，可以将干涉***的分辨力提高到了一般多光束干涉***的2倍。在设计时为了使出射P光干涉信号与S光干涉信号的强度基本保持一致。通过计算可以得出，选择透过率为60%的透反镜。

在光路结构中，透反镜、λ/4波片、测量透镜和被测件构成如上所述的多光束干涉腔。入射到多光束干涉腔中的P光经过λ/4波片和测量透镜汇聚到被测件表面，在样品表面被反射后再次通过透镜变为平行光并再次通过λ/4波片。此时，由于样品表面的反射和两次经过λ/4波片，使得P光的偏振特性发生变化而变为S光。S光在透反镜处一部分反射一部分透射，透射部分被偏振分光镜反射在光电接收器B处参与干涉，反射部分重复上述过程，S光再次反射回透反镜时偏振特性再一次发生变化而变为P光。其透过透反镜的部分被非偏振分光镜部分反射在光电接收器A处参与干涉，被透反镜反射的部分重复前述过程。P光S光在腔内经过多次反射，每次反射后光强都会有损失，但是相邻的P光或者S光的光程差与光从透反镜到透镜焦点间的垂直距离所形成的光程成正比。

光源的噪音会对测量结果产生影响，本发明的激光器采用氦氖气体激光器作为该测头装置的光源可以有效减少光源的噪音。线偏振激光由保偏光纤直接导入，并在激光器与耦合器之间装有光隔离器，光隔离器可以避免部分非偏振分光镜的漏光回到激光管，影响激光的稳频特性，从而保证激光器的稳定。

后期运用制作的处理电路对两路信号分别进行放大和减法处理得到干涉信号的交流分量，放大和加法处理得到直流分量，再利用采集卡采集差信号与和信号，运用Labview软件进行除法处理后得到测量结果。这样的处理可以提高抗干扰能力。该***可适用于显微测量、无损检测技术、光滑及超光滑表面形貌和结构检测以及超精密纳米级和原子级的位移测量技术等众多领域。

本发明采用的光路模型制作的显微装置采用光学非接触式测量方法，适于对光滑及超光滑表面进行无损检测。该装置获取两路相位差为180°的差动干涉信号，有效提高抗干扰能力，获得较高的分辨力，实验验证可达到纳米及原子级的分辨能力，为精密元件的粗糙度测量技术领域提供了新的方法。

本发明还可以选择另外两种方式进行检测：1）移除λ/4波片和光电接收器B，此简便装置仍利用多光束干涉的原理，但是为非差动式检测，只接受一路干涉信号，降低了抗干扰能力和分辨率，但仍能进行纳米级的检测。2）将被测件替换为探针，光斑聚焦在探针悬臂梁背面，利用探针进行接触式测量。3）在不需要原子级这么高分辨力的情况下，激光器也可使用半导体激光器，大大降低该光学检测装置的成本。

一种光学检测***的装置，所述装置包括竖直放置的三角柱形固定架以及L型元件固定基板，L型元件固定基板通过调节装置水平固定在固定架上，L型元件固定基板内侧由上至下依次固定光纤尾纤固定装置、非偏振分光镜固定装置、偏振分光镜固定装置、反射平板固定装置、λ/4波片固定装置、测量透镜固定装置，以及分别与非偏振分光镜固定装置和偏振分光镜固定装置位置水平对应的光电接收器A固定装置及光电接收器B固定装置。光纤尾纤固定装置包括上层的尾纤支撑体以及下层开有尾纤调节孔的尾纤调节体，尾纤支撑体与尾纤调节体通过钢球、拉簧及定位螺钉连接，尾纤套通过水平微调螺钉固定在调节体的调节孔内。光电接收器固定装置包括探测器支撑体和开有光阑调节孔的探测器调节体，探测器针孔光阑通过微调螺钉和压簧定位在调节孔内，调节体端面还固定有与支撑体连接的推拉螺钉。分光镜固定装置包括开有两层平行缺口的分光镜调节体，缺口开口方向相互垂直，调节体上开有垂直于平行缺口的螺孔，并通过调节螺钉的推拉来调节分光镜两维俯仰。

光纤尾纤固定装置：采用两层结构为引入光纤固定装置，上层为支撑体，下层为可调节体，两者之间靠钢球、拉簧和细牙定位螺钉，其中钢球用以保证其刚度，并用弹簧拉紧，定位螺钉顶部开有“V”形槽，槽内嵌装球体，实现精密调节。光纤尾纤固定在调节孔内，此固定装置可以实现引入光纤的俯仰和平面微位移调节。其中，两维俯仰的精细调节依靠远端的两个细牙螺钉实现，细牙螺钉螺距非常小，为0.2mm，可以实现刚度很好的精细调节。平面微调通过微调螺钉与压簧的组合实现对尾纤套的微调，调整好位置后，用三个内六角螺钉锁紧。光纤的固定是否稳定和细微调节对后续光路有较大影响，需要保证其稳定性的同时实现精细调节，该元件可以实现装置的要求。

非偏振分光镜固定装置：在光路调节中需要对其进行俯仰调节，非偏振分光镜固定装置采用两层缺口行的设计，缺口方向相互垂直，这种机构依靠两组螺钉的推拉来调节两维俯仰，其刚度和精度都较好，适合对于俯仰有要求但是要求并不太高的光学元件调节。

光电接收器固定装置：光电接收器固定装置需要实现光电接收器的俯仰和二维微位移调节。由于透镜、针孔光阑及光电接收器距离很近，将其固定元件集成为一体，透镜及针孔光阑通过两个微调螺钉和压簧定位在探测器调节体上，探测器调节体端面上有三对推拉螺钉，用以实现可调节体的俯仰以及轴向位移调节，微调螺钉除了定位作用以外还可实现针孔光阑横向位移的调节。

L型光学元件固定基板：内部固定各光学元件。装卡及调节：该基板采用整体加工，结构稳定。光学元件固定在L型夹角基板的两面上，做到了两维固定，可以保证其牢固的刚性连接。 L型夹角基板开放的两侧为光学调整留下足够的空间。基板固定在二维微调装置上。

基板调节装置作用及原理：作为测量装置光学部分同测量装置固定三角架的连接部分，可以对光学测量装置部分进行相对三角架的纵向和横向两维调节，作为测量前期的粗调和后期的精细调节，其调节分辨力为0.002mm，精度高。装卡及调节：基座和载物台分别有多个固定螺孔，可以同光学元件固定基板和三角架进行多点固定。调解时，旋转微分头调节两维位移。

附图说明

图1为本发明光路结构示意图；

图2为本发明多光束干涉腔结构示意图；

图3为本发明光学检测***装置结构示意图；

图4为本发明光束干涉基本原理图；

图5为本发明透射光的干涉条纹分布图；

图6为本发明光纤尾纤固定装置结构示意图；

图7为本发明定位螺钉结构示意图；

图8为本发明光纤尾纤固定装置主视图；

图9为本发明光纤尾纤固定装置剖视图；

图10为本发明光电接收器固定装置结构示意图；

图11为本发明光电接收器固定装置剖视图；

图12为本发明分光镜固定装置结构示意图；

图13为本发明分光镜固定装置结构主视图;

图14为本发明分光镜固定装置结构A-A剖视图;

图15为本发明分光镜固定装置结构B-B剖视图;

图16为本发明反射平板固定装置；

图中，1、激光器；2、非偏振分光镜；3、偏振分光镜；4、透反镜； 5、λ/4波片；6、测量透镜；7、被测件；8、光电接收器A；9、光电接收器B；10、调节装置；11、光纤尾纤；12、光纤尾纤固定装置；121、尾纤调节体；122、尾纤支撑体；123、调节孔；124、钢球；125、定位螺钉；126、水平微调螺钉；127、尾纤套；13、非偏振分光镜固定装置；131、分光镜调节体；132、缺口；133、螺孔；14、光电接收器A固定装置；141、探测器支撑体；142、探测器调节体； 143、微调螺钉；144、推拉螺钉；15、偏振分光镜固定装置；16、光电接收器B固定装置；161、针孔光阑B;17、反射平板固定装置；18、λ/4波片固定装置；19、样品；20、三维纳米位移台；21、钢球；22、可调节样品固定台；23、固定台；24、固定架；25、固定基板；26、测量透镜固定装置；27、透镜A;28透镜B；29、针孔光阑A；30针孔光阑B。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述,如图1为本发明光路结构示意图；一种光学检测***，所述***包括由上至下依次排列的激光器1、非偏振分光镜2、偏振分光镜3及透反镜4，非偏振分光镜一侧固定与其水平对应的光电接收器A8。透反镜下方固定有λ/4波片5，λ/4波片下方固定有测量透镜6。偏振分光镜一侧固定与其水平对应的光电接收器B9。非偏振分光镜与光电接收器A之间固定有透镜A28及针孔光阑A30。偏振分光镜与光电接收器B之间固定有透镜B29及针孔光阑B31。透反镜的透过率为60%，且上、下表面分别镀有增透膜和反射膜。激光器通过光隔离器连接耦合器，耦合器通过保偏光纤连接光纤尾纤。

如图3为本发明光学检测***装置结构示意图；一种固定权利要求1所述光学检测***的装置，所述装置包括竖直放置的三角柱形固定架24以及L型元件固定基板25，L型元件固定基板通过调节装置10水平固定在固定架上，L型元件固定基板内侧由上至下依次固定光纤尾纤固定装置12、非偏振分光镜固定装置13、偏振分光镜固定装置15、反射平板固定装置17、λ/4波片固定装置18、测量透镜固定装置26，以及分别与非偏振分光镜固定装置和偏振分光镜固定装置位置水平对应的光电接收器A固定装置14及光电接收器B固定装置16。光纤尾纤固定装置包括上层的尾纤支撑体122以及下层开有尾纤调节孔123的尾纤调节体121，如图8为本发明光纤尾纤固定装置主视图；尾纤支撑体与尾纤调节体通过钢球124、拉簧及定位螺钉125连接，如图7为本发明定位螺钉结构示意图；如图9为本发明光纤尾纤固定装置剖视图；尾纤套127通过水平微调螺钉126固定在调节体的调节孔内。如图6为本发明光纤尾纤固定装置结构示意图；光电接收器固定装置包括探测器支撑体141和开有光阑调节孔的探测器调节体142，如图10为本发明光电接收器固定装置结构示意图；探测器针孔光阑143通过微调螺钉144和压簧定位在调节孔内，调节体端面还固定有与支撑体连接的推拉螺钉145。如图11为本发明光电接收器固定装置剖视图；分光镜固定装置包括开有两层平行缺口132的分光镜调节体131，如图12为本发明分光镜固定装置结构示意图；缺口开口方向相互垂直，图13为本发明分光镜固定装置结构主视图;调节体上开有垂直于平行缺口的螺孔133，并通过调节螺钉的推拉来调节分光镜两维俯仰。如图14为本发明分光镜固定装置结构A-A剖视图;图15为本发明分光镜固定装置结构B-B剖视图。

固定架：测量装置固定架与二维微调装置利用螺丝多点固定，是整个测量装置的最终固定结构体，其底部与大型光学平台多点固定。采用三角形固定装置利于提高***刚度，选择的三角架的两直角边比例为33:18，结构紧凑，稳定性强。装卡及调节：三角架的两个面均有多个螺孔，在不同高度对二维微调装置进行多点固定。

偏振分光镜固定装置：偏振分光镜固定装置同NPBS一样采用两层缺口行的设计，来调节俯仰以整合光路实现P光和S光都能进入后级光路并最终完全入射光电接收器。

反射平板固定装置同引入光纤固定装置相同，用来调节透反镜，如图16为本发明反射平板固定装置；可以实现俯仰和平面微位移调节。其中，两维俯仰的精细调节依靠远端的两个细牙螺钉实现，细牙螺钉螺距非常小，为0.2mm，可以实现刚度很好的精细调节。平面微调通过微调螺钉与压簧的组合实现微调，调整好位置后，用三个内六角螺钉锁紧。透反镜的固定是否稳定和细微调节对多光束干涉腔有较大影响，由于倍频式设计对透反镜调节精度要求高，需要保证其稳定性的同时实现精细调节，该元件可以实现装置的要求。

λ/4波片固定装置：采用一般的固定装置就可以满足要求，保证光束多次垂直通过，平行于光轴。

测量透镜固定装置：需要在固定和调节时实现俯仰和二维平面调节。测量透镜固定装置如同透反镜。

三维纳米位移台20作用及原理：利用三维纳米位移台固定样品19可以对样品位置进行精密调节，三维位移范围各可达3um，精度为0.1nm。保证调节后测量处于最灵敏工作点，得到高分辨力。装卡及调节：采用三个完全相同的钢球21作为三个支点底座，克服了纳米位移台底部可能不平整导致样品歪斜，同时增强稳定性。

调节样品固定台22作用及原理：用于固定样品及三维纳米位移台，可以对其进行俯仰调节装卡及调节：采用两层结构，上层为支撑体，下层为可调节体，两者之间靠细牙螺钉定位，螺距为0.2mm，可以实现刚度很好的精细调节。

固定台23作用及原理：使用质量大的金属，用于固定可调节样品固定装置，并与大型气浮平台连接固定装卡及调节：固定台设计有多个螺孔于上下表面，可以和气浮平台进行固定，使通过气浮平台、固定台和三角架固定台将装置结合为一个整体，提高稳定性。

本发明是基于多光束干涉原理设计的显微装置。多光束干涉的基本原理，如图4为本发明光束干涉基本原理图；当一束光入射到平行平板即透反镜时，都会在上表面同时产生反射与透射，透在射光入射到下表面时也会产生发射与透射，透射光从平行平板下表面出射，而反射光再次反射到上边面，其中一部分透射出平行平板，而另一部分再次发生反射，以此类推不断的反射和折射，这种多次的反射、透射对于反射光和透射光在无穷远或者透镜的焦平面上的干涉都有贡献。

多光束干涉图样具有以下特点：等倾性；光强的分布与反射率有关；条纹锐度与反射率有关。对透射光而言，随反射率的增大，极小值下降，亮条纹宽度变窄，在反射率很大时，透射光的干涉条纹是在暗背景上的细亮条纹。与此相反，反射光的干涉条纹是在亮背景上细暗条纹。所以探测器测得的反射光和透射光信号相位相差π，呈现互为差动式干涉信号。

多光束干涉的锐利干涉条纹即干涉光强由极大值下降到极小值的过程的速度非常迅速，如图5所示为透射光的干涉条纹分布，远快于我们常见的迈克尔逊等干涉的光强变化。干涉条纹中无论是光强由弱变强还是由强变弱都有一段斜率很大的，光强极具变化的过程。本发明的多光束干涉显微装置的高分辨力正是基于这段斜率很大的光强变化区域进行测量，调制装置使测量工作点位于斜率最大处工作，这是本装置实施工作的关键点之一。

光源的噪音会对测量结果产生影响，本发明的激光器采用氦氖气体激光器作为该装置的光源，线偏振激光由保偏光纤直接导入，并在激光器与耦合器之间装有光隔离器，保证激光器的稳定。

入射的线偏振光经由非偏振分光棱镜后，偏振态保持不变，光强变为入射光强的二分之一。一部分进入到偏振分光棱镜，保证入射光的偏振态与偏振分光棱镜透射光的偏振态一致，保证几乎所有的光全部透射而没有损失。另一部分光束可反射入光电接收器，用于监测光强的变化。

激光经由偏振分光镜后入射到透反镜，这一光学镜片的作用是，使一部分光反射回去而另一部分光透射。多光束干涉的干涉腔的上下表面均由该透反镜担当，腔长的变化是由被测表面位置所决定的。

图2为本发明多光束干涉腔结构示意图，干涉腔的上下表面均由同一块透反镜担当，由上表面出射的全部为P光，而下表面出射的全部为S光。因而P光干涉形成的是亮背景下的暗条纹，而S光干涉得到是暗背景下的亮条纹。这两组干涉光恰好相差180°相位，因而形成差动。差动式的设计可以有效的提高整个多光束干涉***的干涉信号强度，为本发明的关键技术之一。

整个腔长的变化是由被测表面的起伏变化所引起的，腔长的变化是被测表面起伏变化的2倍。在此多光束干涉***中，光学分辨力达到了λ/4，其中λ表示激光波长，这一倍频式的设计是本发明保证原子级分辨率的关键技术之一，可以将干涉***的分辨力提高到了一般多光束干涉***的2倍。在设计时为了使上表面出射P光干涉信号与下表出射的S光干涉信号的强度基本保持一致。通过计算可以得出，选择透过率为60%的透反镜。

在光路结构中，透反镜、λ/4波片、测量透镜和被测件构成如上所述的多光束干涉腔。入射到多光束干涉腔中的P光经过λ/4波片和测量透镜汇聚到被测件表面，在样品表面被反射后再次通过透镜变为平行光并再次通过λ/4波片。此时，由于样品表面的反射和两次经过λ/4波片，使得P光的偏振特性发生变化而变为S光。S光在透反镜处一部分反射一部分透射，透射部分被PBS反射在接收器2处参与干涉，反射部分重复上述过程，S光再次反射回反射平板时偏振特性再一次发生变化而变为P光。其透过反射平板的部分被非偏振分光镜部分反射在接收器1处参与干涉，被反射平板反射的部分重复前述过程。P光S光在腔内经过多次反射，每次反射后光强都会有损失，但是相邻的P光或者S光的光程差与光从反射平板到透镜焦点间的垂直距离所形成的光程成正比。光路模型的设计是本发明的创新点和关键技术。

后期运用制作的处理电路电路对两路信号分别进行放大和减法处理得到干涉信号的交流分量，放大和加法处理得到直流分量，再利用采集卡采集差信号与和信号，运用Labview软件进行除法处理后得到测量结果。这样的处理可以提高抗干扰能力。

实施例1：本发明显微装置示意图如图3所示，调节二维光纤尾纤固定装置，使光纤出射激光入射到非偏振分光镜（NPBS），利用NPBS固定装置进行二维微调，光电接收器A 、B利用二维微调装置固定，可以配合NPBS微调装置及PBS微调装置使光束完全入射光电接收器A、B 。透反镜的固定装置可以进行上下一维的移动以及角度调节，调节其平面使垂直于光轴。固定好的λ/4波片平面也同光轴垂直。调节测量透镜的固定装置使其进行三维微移动，同时也可以进行角度调节，使光束通过透镜中心。调节测头装置***相对于样品的距离，使样品固定在测量透镜的焦平面处，同时可以使用固定样品的纳米台进行三维的微调节。

入射的线偏振光经由非偏振分光棱镜后，偏振态保持不变，光强变为入射光强的二分之一。然后进入到偏振分光棱镜，入射光的偏振态与偏振分光棱镜透射光的偏振态一致，偏振光进入透反镜，部分反射回原光路，部分透射进入干涉腔，入射到多光束干涉腔中的P光经过λ/4波片和测量透镜汇聚到被测件表面，在样品表面被反射后再次通过透镜变为平行光并再次通过λ/4波片。此时，由于样品表面的反射和两次经过λ/4波片，使得P光的偏振特性发生变化而变为S光。S光在透反镜处一部分反射一部分透射，透射部分被PBS反射在光电接收器B处参与干涉，反射部分重复上述过程，S光再次反射回透反镜时偏振特性再一次发生变化而变为P光。其透过透反镜的部分被非偏振分光镜部分反射在光电接收器A处参与干涉，被反射平板反射的部分重复前述过程。P光S光在腔内经过多次反射，每次反射后光强都会有损失，但是相邻的P光或者S光的光程差与光从透反镜到透镜焦点间的垂直距离所形成的光程成正比。相对于现有技术，本专利的有益效果是，该装置采用光学非接触式测量方法，有益于进行精密元件和超光滑表面粗糙度的无损检测。可以获取相位差180°的差动式干涉信号，提高抗干扰能力，分辨力达到纳米及原子级水平。

实施例2：对于需要简便装置的情况，可以将本测量装置简化，移除λ/4波片、偏振分光镜和光电接收器B及其固定装置，此简便装置仍利用多光束干涉的原理，但是为非差动式检测，只接受一路干涉信号，降低了抗干扰能力和分辨率，但仍能进行纳米级的检测。入射的线偏振光经由非偏振分光棱镜后，偏振态保持不变，光强变为入射光强的二分之一。然后偏振光进入透反镜，部分反射回原光路，部分透射进入干涉腔，激光在干涉腔内多次反射，透射光被光电接收器A接收，形成多光束干涉。该简化装置光路相对简单，仍可保持纳米级的较高分辨力，整个腔长的变化是由被测表面的起伏变化所引起的，腔长的变化是被测表面起伏变化的2倍。在此多光束干涉***中，光学分辨力仍为了λ/4，其中λ表示激光波长。

实施例3：本发明装置可以根据实际使用情况的需要进行改造，将图1中的被测件替换为探针，光斑聚焦在探针悬臂梁背面，利用探针进行接触式测量。调节测头装置***相对于针尖悬臂梁的距离，将光斑聚焦在悬臂梁顶端，测量时针尖接触样品进行检测。针尖随被样品的起伏，引起干涉腔长的变化，本发明装置可以监测针尖的微小起伏，因而本发明装置可作为针尖位移传感器应用于触针式接触测量，替代接触式测量中常用的的隧道电流效应以及光杠杆法等。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学检测***，其特征在于，所述***包括由上至下依次排列的激光器（1）、非偏振分光镜（2）、偏振分光镜（3）及透反镜（4），非偏振分光镜一侧固定与其水平对应的光电接收器A（8）。

2.根据权利要求1所述的光学检测***，其特征在于，透反镜下方固定有λ/4波片（5），偏振分光镜一侧固定与其水平对应的光电接收器B（9）。

3.根据权利要求1所述的光学检测***，其特征在于，非偏振分光镜与光电接收器A之间固定有透镜A（28）及针孔光阑A（30）。

4.根据权利要求2所述的光学检测***，其特征在于，偏振分光镜与光电接收器B之间固定有透镜B（29）及针孔光阑B(31)。

5.根据权利要求1所述的光学检测***，其特征在于，透反镜的透过率为60%，且上、下表面分别镀有增透膜和反射膜。

6.根据权利要求1所述的光学检测***，其特征在于，激光器通过光隔离器连接耦合器，耦合器通过保偏光纤连接光纤尾纤。

7.一种固定权利要求1所述光学检测***的装置，其特征在于，所述装置包括竖直放置的三角柱形固定架（24）以及L型元件固定基板（25），L型元件固定基板通过调节装置（10）水平固定在固定架上，L型元件固定基板内侧由上至下依次固定光纤尾纤固定装置（12）、非偏振分光镜固定装置（13）、偏振分光镜固定装置（15）、反射平板固定装置（17）、λ/4波片固定装置（18）、测量透镜固定装置（26），以及分别与非偏振分光镜固定装置和偏振分光镜固定装置位置水平对应的光电接收器A固定装置（14）及光电接收器B固定装置（16）。

8.根据权利要求7所述的光路结构的装置，其特征在于，光纤尾纤固定装置包括上层的尾纤支撑体（122）以及下层开有尾纤调节孔（123）的尾纤调节体（121），尾纤支撑体与尾纤调节体通过钢球（124）、拉簧及定位螺钉（125）连接，尾纤套（127）通过水平微调螺钉（126）固定在调节体的调节孔内。

9.根据权利要求7所述的光路结构的装置，其特征在于，光电接收器固定装置包括探测器支撑体（141）和开有光阑调节孔的探测器调节体（142），探测器针孔光阑（143）通过微调螺钉（144）和压簧定位在调节孔内，调节体端面还固定有与支撑体连接的推拉螺钉（145）。

10.根据权利要求7所述的光路结构的装置，其特征在于，分光镜固定装置包括开有两层平行缺口（132）的分光镜调节体（131），缺口开口方向相互垂直，调节体上开有垂直于平行缺口的螺孔（133），并通过调节螺钉的推拉来调节分光镜两维俯仰。

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