基于垂直位移扫描的非接触式表面形貌测量方法及测量仪

摘要

本发明公开了一种基于垂直位移扫描的非接触式表面形貌测量方法及其装置，它采用计算机驱动工作台垂直位移来进行测量，并扫描和采集工作台垂直移动的距离作为测量数据，输入计算机中作为该X－Y－Z坐标上采集到的Z坐标，通过移动工作台，重复采集多个坐标的测量数据，经过计算机处理后即可得到测量的工件表面形貌。本发明将聚焦物镜位置固定，通过移动工作台来测量数据，大大提高了测量的精度。从而真正实现了高精度、大量程的非接触测量，并且具有速度快、性价比高的特点。本实用新型可对不同材料构件的轮廓尺寸、形状、波度及表面粗糙度的二、三维非接触式综合测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于垂直位移扫描的非接触式表面形貌测量方法及测量仪，属于测量装置技术领域。

背景技术

目前根据光学自动聚焦探测法原理，制造出来的物体表面形貌非接触测量装置已经有一些商品化产品面世，例如UBM公司的UBF60等系列产品，但是对于现有的利用光学自动聚焦探测法原理制造的非接触测量装置，它们均存在一些共同的问题：

(1)测量过程中音圈电机本身的持续振动会引起相应的测量误差；

(2)音圈电机是一般是靠簧片固定的，簧片的摆动会引起测量的非线性误差；

(3)对于不带计量系统的音圈电机，音圈电机的运动精度受制于其定标方法，而一般的定标方法是难以使音圈电机达到纳米级的运动精度的；

(4)对于带计量系统的音圈电机，由于电感计量系统的对应的测量范围仅为±500μm，故难以实现大量程测量。

上述几条问题反映了这些装置常见的一些缺陷，使这样装置的应用受到一定限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功能强，高性价比的基于垂直位移扫描的非接触式表面形貌测量方法及测量仪，实现高分辨率、大量程和高精度的测量。

本发明是这样实现的。基于垂直位移扫描的非接触式表面形貌测量方法为，将工件放在三维垂直位移扫描工作台上，用光学位移传感器发出的激光照射工件的表面并得到聚焦误差信号，计算机根据聚焦误差信号驱动工作台以实现垂直位移伺服运动，使入射光束始终汇聚在被测工件表面上且聚焦误差信号近似为零，衍射光栅位移传感器扫描和采集工作台垂直移动的距离作为测量数据，输入计算机中作为该X-Y-Z坐标上采集到的Z坐标，通过移动工作台，重复采集多个坐标的测量数据，经过计算机处理后即可得到测量的工件表面形貌。

上述的基于垂直位移扫描的非接触式表面形貌测量方法，在工作台上固定反射光栅，激光入射到反射光栅，经反射光栅一次衍射后形成+1级和-1级两束衍射光，通过置于两侧的直角棱镜将+1级和-1级衍射光反射回光栅并汇聚于光栅上另一点，经过二次衍射后，将在垂直于Y轴放置的光电探测器上形成干涉条纹；当工作台垂直运动时，将引起干涉条纹的相移，通过探测条纹的变化即可得到工件的位移数据。

本发明的测量仪是这样构成的，它包括光学位移传感器、三维垂直位移扫描工作台和数字伺服聚焦装置，用于探测聚焦误差信号的光学位移传感器安装在三维垂直位移扫描工作台的上方，光学位移传感器的聚焦误差信号输入数字伺服聚焦装置，数字伺服聚焦装置输出控制信号至三维垂直位移扫描工作台的压电陶瓷和三个方向的驱动电机，在三维垂直位移扫描工作台上设有用于对工作台的垂直位移进行扫描和采集的衍射光栅位移传感器，衍射光栅位移传感器的信号输入数字伺服聚焦装置中的计算机。

上述的测量仪，光学位移传感器由光电探测器(1)、分束棱镜(2)、耦合物镜(3)、半导体激光器(4)、透镜(5)、偏振分光镜(6)、1/4玻片(7)和聚焦物镜(8)组成，半导体激光器(4)与三维垂直位移扫描工作台之间依次设有透镜(5)、偏振分光镜(6)、1/4玻片(7)和固定位置的聚焦物镜(8)，在偏振分光镜(6)侧面设有耦合物镜(3)、分束棱镜(2)，分束棱镜(2)分开光线照射的位置分别设有光电探测器(1)，光电探测器(1)的信号输入数字伺服聚焦装置。

上述的测量仪，三维垂直位移扫描工作台由垂直位移扫描工作台、X-Y工作台(14)和衍射光栅位移传感器(11)组成；可垂直移动的垂直位移扫描工作台安装在X-Y工作台(14)上，垂直位移扫描工作台上设有衍射光栅位移传感器(11)。

上述的测量仪，垂直位移扫描工作台由斜面机构(13)、压电陶瓷(12)和工作台(10)组成；带电机的斜面机构(13)安装在X-Y工作台(14)上，斜面机构(13)上方设有压电陶瓷(12)，压电陶瓷(12)上方为放置工件(9)的工作台(10)。

上述的测量仪，数字伺服聚焦装置由光学位移传感器信号处理电路(15)、衍射光栅位移传感器信号处理电路(16)、计算机(20)、压电陶瓷驱动电路(17)、斜面机构电机驱动电路(18)和X-Y方向电机驱动电路(19)组成；计算机(20)的输入端连接光学位移传感器信号处理电路(15)、衍射光栅位移传感器信号处理电路(16)的输出端，计算机(20)的输出端连接压电陶瓷驱动电路(17)、斜面机构电机驱动电路(18)和X-Y方向电机驱动电路(19)；计算机(20)处理来自光电探测器(1)和衍射光栅位移传感器(11)的信号，控制和驱动压电陶瓷(12)、斜面机构(13)和X-Y工作台(14)的电机，实现数字伺服聚焦。

上述的测量仪，衍射光栅位移传感器(11)由反射光栅(21)、直角棱镜(22)、光电接收器(23)和He-Ne激光器(24)组成，反射光栅(21)安装在垂直位移扫描工作台上，He-Ne激光器(24)安装在反射光栅(21)前方，二个直角棱镜(22)分别设在反射光栅(21)两侧45度位置，反射光栅(21)前方还设有光电接收器(23)。

本发明的测量装置由非接触式光学位移传感器、三维垂直位移扫描工作台和数字伺服聚焦装置组成，并与其他组件共同构建了整个闭环控制的非接触式表面形貌测量装置。本方法不同于传统的光学自动聚焦探测系统中的采用音圈电机的聚焦伺服系统结构，它将聚焦物镜位置固定，计算机根据聚焦误差信号控制压电陶瓷及电机去驱动工作台以实现垂直位移扫描的伺服运动，使入射光束始终汇聚在被测工件表面上且聚焦误差信号近似为零，提高了测量的精度，同时采用光栅衍射得到干涉条纹，通过对干涉条纹的相移变化得到工作台垂直方向位移的测量数据，大大提高了测量精度，比如选择的光栅常数为1/1200mm，干涉条纹变化一个周期时，光栅移动量为1/4800mm，即为200nm，经两次衍射，以及对信号20细分，最终测量数据可达5nm的分辨率。因此本发明由于避免了传统聚焦探测类仪器中采用音圈电机所带来的缺陷，从而真正实现了高精度、大量程的非接触测量，并且具有速度快、性价比高的特点。本发明可对不同材料构件的轮廓尺寸、形状、波度及表面粗糙度的二、三维非接触式综合测量，包括任意曲面形貌测量、球面和非球面轮廓测量等，也可对MEMS的几何尺寸、形状、振动等进行非接触测量。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图；

附图2为本发明的测量流程示意图；

附图3为衍射光栅位移传感器的结构示意图。

具体实施方式

本发明的实施例。如附图1所示，本发明的测量仪主要包括光学位移传感器、三维垂直位移扫描工作台和数字伺服聚焦装置三大部分，光学位移传感器用于探测在测量过程中由工件表面所引起的聚焦误差信号，安装在三维垂直位移扫描工作台的的上方，光学位移传感器的聚焦误差信号输入数字伺服聚焦装置；三维垂直位移扫描工作台上面放置需测量的工件；数字伺服聚焦装置用于记录、处理各个数据，并根据得到的数据输出控制信号至三维垂直位移扫描工作台的压电陶瓷和三个方向的驱动电机，驱动三维垂直位移扫描工作台运动从而使光学位移传感器的聚焦误差信号近似为零；在三维垂直位移扫描工作台上安装衍射光栅位移传感器，衍射光栅位移传感器用于对工作台的垂直位移进行扫描和采集，衍射光栅位移传感器的扫描信号输入数字伺服聚焦装置中的计算机进行处理后作为测量结果。

本实施例采用的光学位移传感器由光电探测器(1)、分束棱镜(2)、耦合物镜(3)、半导体激光器(4)、透镜(5)、偏振分光镜(6)、1/4玻片(7)和聚焦物镜(8)组成，半导体激光器(4)为DA650-1-5型半导体激光器，波长为650nm，外形尺寸为^φ11×60mm，功率为1mW。半导体激光器(4)与三维垂直位移扫描工作台之间依次设有透镜(5)、偏振分光镜(6)、1/4玻片(7)和固定位置的聚焦物镜(8)，在偏振分光镜(6)侧面设有耦合物镜(3)、分束棱镜(2)，分束棱镜(2)分开光线照射的位置分别安装有光电探测器(1)，光电探测器(1)的信号输入数字伺服聚焦装置。

三维垂直位移扫描工作台由垂直位移扫描工作台、X-Y工作台(14)和衍射光栅位移传感器(11)组成；可垂直移动的垂直位移扫描工作台安装在共基面运动的X-Y工作台(14)上，垂直位移扫描工作台上安装衍射光栅位移传感器(11)。垂直位移扫描工作台和X-Y工作台(14)完成对工件(9)三维空间的位移，衍射光栅位移传感器(11)测量垂直位移扫描工作台的垂直移动距离。本实施例的垂直位移扫描工作台由斜面机构(13)、压电陶瓷(12)和工作台(10)组成；它分粗、精两级驱动，粗驱动由斜面机构(13)及其伺服电机完成，斜面机构(13)的斜面斜度为1∶10，丝杆螺距为1mm，伺服电机输出10000脉冲/转，则每步垂直位移量为10nm，行程设计为10mm。斜面机构(13)安装在X-Y工作台(14)上；精两级驱动由压电陶瓷(12)完成，其设计行程为30μm；压电陶瓷(12)安装在斜面机构(13)上方，压电陶瓷(12)上方为放置工件(9)的工作台(10)。

数字伺服聚焦装置由光学位移传感器信号处理电路(15)、衍射光栅位移传感器信号处理电路(16)、计算机(20)、压电陶瓷驱动电路(17)、斜面机构电机驱动电路(18)和X-Y方向电机驱动电路(19)组成；计算机(20)的输入端连接光学位移传感器信号处理电路(15)、衍射光栅位移传感器信号处理电路(16)的输出端，计算机(20)的输出端连接压电陶瓷驱动电路(17)、斜面机构电机驱动电路(18)和X-Y方向电机驱动电路(19)；计算机(20)处理来自光电探测器(1)和衍射光栅位移传感器(11)的信号，控制和驱动压电陶瓷(12)、斜面机构(13)和X-Y工作台(14)的电机，实现自动数字伺服聚焦。

衍射光栅位移传感器(11)由反射光栅(21)、直角棱镜(22)、光电接收器(23)和He-Ne激光器(24)组成，反射光栅(21)安装在垂直位移扫描工作台上，He-Ne激光器(24)安装在反射光栅(21)的前方，二个直角棱镜(22)分别安装在反射光栅(21)两侧45度位置，反射光栅(21)前方还安装光电接收器(23)，光电接收器(23)连接衍射光栅位移传感器信号处理电路(16)。

工作时，将工件(9)放在工作台(10)上并用半导体激光器(4)发射的激光照射工件(9)的表面，反射回来的激光通过耦合物镜(3)会聚并经分束棱镜(2)分裂后投射到两组电探测器(1)上。两组光电探测器(1)接收光强信号的差分即为聚焦差信号。计算机(2)根据聚焦误差信号驱动工作台(10)以实现垂直位移扫描的伺服运动，使入射光束始终汇聚在被测工件(9)的表面上且聚焦误差信号近似为零，使得测量误差达到最小；衍射光栅位移传感器(11)扫描和采集垂直位移扫描工作台的垂直移动距离，该信号经衍射光栅位移传感器信号处理电路(16)送到计算机(20)，即为一个采集到的垂直方向坐标。通过移动工作台，检测工件(9)相对于工作台(10)上不同的X朰-Z坐标下，重复采集多个坐标的测量数据，经过计算机(20)经表面轮廓评定软件处理即可得到测量结果。

为了精确计量工作台(10)的移动距离，在三维垂直位移扫描工作台上安装反射光栅，激光入射到反射光栅，经反射光栅一次衍射后形成+1级和-1级两束衍射光，通过置于两侧的直角棱镜将+1级和-1级衍射光反射回光栅并汇聚于光栅上另一点，经过二次衍射后，将在垂直于Y轴放置的光电探测器上形成干涉条纹；当工作台(10)垂直运动时，将引起干涉条纹的相移，通过探测条纹的变化即可得到工件(9)的位移数据。光栅移动d/4距离时，条纹相移为2π，即变化一个周期。本系统采用的光栅，其光栅常数为1/1200mm，因此干涉条纹变化一个周期时，光栅移动量为1/4800mm，即为200nm，经两次衍射，以及对信号20细分，可达5nm的分辨率。