CN105241393B - 高精度便携式光学表面三维形貌在线检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度便携式光学表面三维形貌在线检测仪，它主要由光源、单筒干涉显微镜、图像采集***、控制源、驱动源、移相器和工控机组成。其优点是体积小、抗振性能好、可满足光学、微电子、机械等领域超精密加工元件的高精度在线快速批量检测，可应用于芯片、LED、微机械、微光学、航空航天用光学陀螺、强激光、天文望远镜等生产与科研领域。

Description

高精度便携式光学表面三维形貌在线检测仪

技术领域

本发明涉及光干涉计量领域，具体是一种可用于光学、微电子、机械等领域超精密加工元件快速、高精度在线批量检测的装置。

背景技术

光学元件的表面形貌，即使只有微小的凹凸不平，就会引起光的散射致使光学***的性能变差，从而影响整个***的性能。因此，准确地测量和评定表面形貌，能正确地识别出加工过程中的变化和缺陷，还对控制和改进加工方法、研究性能与表面几何特性的关系，以及提高产品性能与加工表面的质量都有着非常重要的意义。

现有的光学表面形貌检测仪主要由Zygo、Veeco、4D等知名公司生产，通用的形貌检测仪体积较大，其光路***和三维调整台是分开的，依靠悬臂梁结构将二者连接起来。这种结构稳定性不足，受振动和气流影响很大，需要配以抗振平台或其他复杂的抗振措施。同时，通用的形貌检测仪一般都采用立式结构，被测件置于测量台与物镜头之间，这就使被测件的横向尺寸受到了限制，无法实现对大口径光学元件表面的检测。而且受被测样品厚度和安装位置的影响，每次测试都需要长时间的重新调试，因此通用的形貌检测仪只适用于实验室检测，限制了仪器在生产加工过程中的在线检测。基于以上要求4D公司推出了型号为NanoCam的便携式动态干涉仪，它采用倒置模式测量，可实现光学元件的在线检测，但是其价格与通用形貌检测仪相当，在20万美元以上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够满足生产加工过程中对产品进行快速批量在线检测的高精度便携式光学表面三维形貌在线检测仪。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种高精度便携式光学表面三维形貌在线检测仪，包括光源、单筒干涉显微镜、图像采集***、工控机、控制源、驱动源、PZT移相器和显示器；图像采集***由CCD摄像机和图像采集卡组成，CCD摄像机的输出端与图像采集卡连接，图像采集卡插在工控机主机板槽中，受工控机控制；单筒干涉显微镜由显微镜筒和干涉显微物镜构成，PZT移相器位于显微镜筒和干涉显微物镜之间，由驱动源驱动推动干涉显微物镜进行位移， PZT移相器还由一个DA控制源控制，DA控制源的输出端与工控机连接，并由工控机控制，其输出端与驱动源相接；显示器与工控机相连接，用于显示测量结果。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）体积小，抗振性能优越，突破了现有技术受待测元件尺寸限制，实现了工件加工与面型检测的同步；（2）降低工件加工对技师经验的依赖性，降低工件检测成本，尤其是大口径工件的检测成本；（3）仪器成本低，调整步骤简单，操作简便。

附图说明

图1是本发明高精度便携式光学表面三维形貌在线检测仪原理框图。

图2是干涉显微镜***与支座结构示意图。

图3是测量台结构示意图。

图4是元件测量示意图，（a）是正置测量小口径元件，（b）是倒置测量大口径元件。

图5是干涉显微镜光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1、图2、图3，本发明所述的高精度便携式光学表面三维形貌在线检测仪，它主要包括光源1、单筒干涉显微镜2（由显微镜筒11和干涉显微物镜12构成）、图像采集***3、工控机6、控制源7、驱动源8和PZT9移相器和显示器10。PZT移相器9位于显微镜筒11和干涉显微物镜12之间，并由驱动源8驱动显微物镜进行位移，图像采集***3由CCD摄像机4和图像采集卡5组成，CCD摄像机4的输出端与图像采集卡5连接，图像采集卡5插在工控机6主机板槽中，受工控机6控制；其特征是PZT移相器9还由一个DA控制源7控制，DA控制源7的输出端与工控机6连接，并由工控机6控制，其输出端与驱动源8相接。显示器10与工控机6相连接，用于显示测量结果。

结合图2，采用嵌入式结构，将单筒干涉显微镜2嵌入机械支座，其所有光路都封装在显微镜筒11中，尽可能的提高光路的集成度，大大减小了仪器的体积和重量，实现了便携性。单筒干涉显微镜2的支座结构采用三根金属支柱13共同支撑整个单筒干涉显微镜2***，与传统单支柱干涉显微镜相比，同时使用三根支柱可以使***结构更加稳定，增强***的抗震能力，可以减少振动对测量过程的影响。支座顶部使用环形三维调整台14，该三维调整台14采用三点定位结构，依赖对三个可调旋钮15，实现对整个调整台14的高精度倾斜与纵向位移调节。

结合图3、图4，测量台采用中空结构，载物台16位于待测元件18表面与干涉显微物镜12之间，干涉显微物镜12通过载物台16通光孔检测被测元件表面形貌信息。本发明采用PZT9推动干涉显微物镜12的方法实现扫描，进一步较少了***工作时产生的残余振荡。

结合图4、图2，通过载物台16上面的三个支撑柱17来定位支撑待测元件18。工作距离定位于待测元件18的待测面，固定了待测面到到干涉显微物镜12的工作距离，因此测量不受待测元件18厚度的影响，可以实现待测元件之间的快速切换，提高了检测速度。对于尺寸小的待测元件，采用正置模式测量；对于大尺寸的待测元件，采用倒置模式进行测量。与传统的干涉显微镜相比，本发明的工作腔是封闭的，不易受到气流扰动的影响。

结合图5，该光路结构中采用同轴照明***，从光源发出的光束经透反射镜反射进入物镜，由分光镜分束后分别经参考镜和被测镜表面反射后汇聚并产生干涉。将参考镜沿光轴方向做位移运动，同时探测器记录干涉场各点的光强值，通过计算得到被测表面的三维形貌。

下面结合附图说明本发明检测仪的使用过程。

结合图1、图2、图3、图4，首先根据待测元件18尺寸的大小选择测量模式，对于大尺寸待测元件采用倒置测量模式，将单筒干涉显微镜2倒置于被测样品表面；对于小尺寸待测元件则采用正置测量模式，将待测元件的待测表面向下放置于单筒干涉显微镜2的载物台16上。接着将视场光阑和孔径光阑调到最小，找到成像点。完成以上步骤后，打开光阑，调节三个可调旋钮15调节三维调整台14来控制待测元件18的高精度倾斜和纵向位移调节，直至显示器10的软件界面出现干涉条纹。根据被测样品表面形貌峰谷值的大致范围，调整PZT移相器9的控制电压，设置采样参数。先使白光干涉条纹移出视场中心，打开PZT控制电源，实现移相。移相的过程中，短相干光干涉条纹均匀移动，在整个视场内扫描。通过跟踪短相干光中心零光程处的条纹位置，CCD4记录各帧图像，将图像存入到工控机6，经过软件界面和算法程序，得到待测元件18待测表面的形貌，并呈现在显示器10上，进而完成所需参数的测量。

Claims (3)

1.一种高精度便携式光学表面三维形貌在线检测仪，其特征在于：包括光源（1）、单筒干涉显微镜（2）、图像采集***（3）、工控机（6）、控制源（7）、驱动源（8）、PZT移相器（9）和显示器（10）；图像采集***（3）由CCD摄像机（4）和图像采集卡（5）组成，CCD摄像机（4）的输出端与图像采集卡（5）连接，图像采集卡（5）插在工控机（6）主机板槽中，受工控机（6）控制；单筒干涉显微镜（2）由显微镜筒（11）和干涉显微物镜（12）构成，PZT移相器（9）位于显微镜筒（11）和干涉显微物镜（12）之间，由驱动源（8）驱动推动干涉显微物镜（12）进行位移， PZT移相器（9）还由一个DA控制源（7）控制，DA控制源（7）的输出端与工控机（6）连接，并由工控机（6）控制，其输出端与驱动源（8）相接；显示器（10）与工控机（6）相连接，用于显示测量结果；单筒干涉显微镜（2）嵌入机械支座，机械支座为环形中空结构，由金属支柱（13）和测量台组成，测量台采用中空结构，由三维调整台（14）、可调旋钮（15）和载物台（16）组成，载物台（16）设置在三维调整台（14）上端，通过载物台（16）上面的三个支撑柱（17）来定位支撑待测元件（18）；三根金属支柱（13）共同支撑单筒干涉显微镜（2），支座顶部设置环形三维调整台（14），三维调整台（14）采用三点定位结构，依赖对三个可调旋钮（15）调节三维调整台（14）来控制待测元件（18）的高精度倾斜和纵向位移调节；同时，载物台（16）位于待测元件（18）的待测面与干涉显微物镜（12）之间，干涉显微物镜（12）通过载物台（16）的通光孔检测待测元件（18）表面形貌信息。

2.根据权利要求1所述的高精度便携式光学表面三维形貌在线检测仪，其特征在于：所有光路都封装在显微镜筒（11）中，该光路采用同轴照明***，从光源（1）发出的光束经透反射镜反射进入物镜，由分光镜分束后分别经参考镜和被测镜表面反射后汇聚并产生干涉；将参考镜沿光轴方向做位移运动，同时探测器记录干涉场各点的光强值，通过计算得到被测表面的三维形貌。

3.根据权利要求2所述的高精度便携式光学表面三维形貌在线检测仪，其特征在于：所述三维调整台（14）为环形三维调整台。