專利名稱：基于垂直位移掃描的非接觸式表面形貌測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種基于垂直位移掃描的非接觸式表面形貌測量儀，屬于測量裝置技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前根據(jù)光學(xué)自動聚焦探測法原理，制造出來的物體表面形貌非接觸測量裝置已經(jīng)有一些商品化產(chǎn)品面世，例如UBM公司的UBF60等系列產(chǎn)品，但是對于現(xiàn)有的利用光學(xué)自動聚焦探測法原理制造的非接觸測量裝置，它們均存在一些共同的問題(1)測量過程中音圈電機(jī)本身的持續(xù)振動會引起相應(yīng)的測量誤差；(2)音圈電機(jī)是一般是靠簧片固定的，簧片的擺動會引起測量的非線性誤差；(3)對于不帶計量系統(tǒng)的音圈電機(jī)，音圈電機(jī)的運動精度受制于其定標(biāo)方法，而一般的定標(biāo)方法是難以使音圈電機(jī)達(dá)到納米級的運動精度的；(4)對于帶計量系統(tǒng)的音圈電機(jī)，由于電感計量系統(tǒng)的對應(yīng)的測量范圍僅為±100μm，故難以實現(xiàn)大量程測量。
上述幾條問題反映了這些裝置常見的一些缺陷，使這樣裝置的應(yīng)用受到一定限制。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種功能強(qiáng)，高性價比的基于垂直位移掃描的非接觸式表面形貌測量儀，實現(xiàn)高分辨率、大量程和高精度的測量。
本實用新型的結(jié)構(gòu)為，它包括光學(xué)位移傳感器、三維垂直位移掃描工作臺和數(shù)字伺服聚焦裝置，用于探測聚焦誤差信號的光學(xué)位移傳感器安裝在三維垂直位移掃描工作臺的上方，光學(xué)位移傳感器的聚焦誤差信號輸入數(shù)字伺服聚焦裝置，數(shù)字伺服聚焦裝置輸出控制信號至三維垂直位移掃描工作臺的壓電陶瓷和三個方向的驅(qū)動電機(jī)，在三維垂直位移掃描工作臺上設(shè)有用于對工作臺的垂直位移進(jìn)行掃描和采集的衍射光柵位移傳感器，衍射光柵位移傳感器的信號輸入數(shù)字伺服聚焦裝置中的計算機(jī)。
上述的基于垂直位移掃描的非接觸式表面形貌測量儀，光學(xué)位移傳感器由光電探測器(1)、分束棱鏡(2)、耦合物鏡(3)、半導(dǎo)體激光器(4)、透鏡(5)、偏振分光鏡(6)、1/4玻片(7)和聚焦物鏡(8)組成，半導(dǎo)體激光器(4)與三維垂直位移掃描工作臺之間依次設(shè)有透鏡(5)、偏振分光鏡(6)、1/4玻片(7)和固定位置的聚焦物鏡(8)，在偏振分光鏡(6)側(cè)面設(shè)有耦合物鏡(3)、分束棱鏡(2)，分束棱鏡(2)分開光線照射的位置分別設(shè)有光電探測器(1)，光電探測器(1)的信號輸入數(shù)字伺服聚焦裝置。
上述的基于垂直位移掃描的非接觸式表面形貌測量儀，三維垂直位移掃描工作臺由垂直位移掃描工作臺、X-Y工作臺(14)和衍射光柵位移傳感器(11)組成；可垂直移動的垂直位移掃描工作臺安裝在X-Y工作臺(14)上，垂直位移掃描工作臺上設(shè)有衍射光柵位移傳感器(11)。
上述的基于垂直位移掃描的非接觸式表面形貌測量儀，垂直位移掃描工作臺由斜面機(jī)構(gòu)(13)、壓電陶瓷(12)和工作臺(10)組成；帶電機(jī)的斜面機(jī)構(gòu)(13)安裝在X-Y工作臺(14)上，斜面機(jī)構(gòu)(13)上方設(shè)有壓電陶瓷(12)，壓電陶瓷(12)上方為放置工件(9)的工作臺(10)。
上述的基于垂直位移掃描的非接觸式表面形貌測量儀，數(shù)字伺服聚焦裝置由光學(xué)位移傳感器信號處理電路(15)、衍射光柵位移傳感器信號處理電路(16)、計算機(jī)(20)、壓電陶瓷驅(qū)動電路(17)、斜面機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動電路(18)和X-Y方向電機(jī)驅(qū)動電路(19)組成；計算機(jī)(20)的輸入端連接光學(xué)位移傳感器信號處理電路(15)、衍射光柵位移傳感器信號處理電路(16)的輸出端，計算機(jī)(20)的輸出端連接壓電陶瓷驅(qū)動電路(17)、斜面機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動電路(18)和X-Y方向電機(jī)驅(qū)動電路(19)。
上述的基于垂直位移掃描的非接觸式表面形貌測量儀，衍射光柵位移傳感器(11)由反射光柵(21)、直角棱鏡(22)、光電接收器(23)和He-Ne激光器(24)組成，反射光柵(21)安裝在垂直位移掃描工作臺上，He-Ne激光器(24)安裝在反射光柵(21)前方，二個直角棱鏡(22)分別設(shè)在反射光柵(21)兩側(cè)45度位置，反射光柵(21)前方還設(shè)有光電接收器(23)。
本實用新型由非接觸式光學(xué)位移傳感器、三維垂直位移掃描工作臺和數(shù)字伺服聚焦裝置組成，并與其他組件共同構(gòu)建了整個閉環(huán)控制的非接觸式表面形貌測量裝置。不同于傳統(tǒng)的光學(xué)自動聚焦探測系統(tǒng)中的采用音圈電機(jī)的聚焦伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本實用新型將聚焦物鏡位置固定，計算機(jī)根據(jù)聚焦誤差信號控制壓電陶瓷及電機(jī)去驅(qū)動工作臺以實現(xiàn)垂直位移掃描的伺服運動，使入射光束始終匯聚在被測工件表面上且聚焦誤差信號近似為零，提高了測量的精度，同時采用光柵衍射得到干涉條紋，通過對干涉條紋的相移變化得到工作臺垂直方向位移的測量數(shù)據(jù)，大大提高了測量精度，比如選擇的光柵常數(shù)為1/1200mm，干涉條紋變化一個周期時，光柵移動量為1/4800mm，即為200nm，經(jīng)兩次衍射，以及對信號20細(xì)分，最終測量數(shù)據(jù)可達(dá)5nm的分辨率。因此本實用新型由于避免了傳統(tǒng)聚焦探測類儀器中采用音圈電機(jī)所帶來的缺陷，從而真正實現(xiàn)了高精度、大量程的非接觸測量，并且具有速度快、性價比高的特點。本實用新型可對不同材料構(gòu)件的輪廓尺寸、形狀、波度及表面粗糙度的二、三維非接觸式綜合測量，包括任意曲面形貌測量、球面和非球面輪廓測量等，也可對MEMS的幾何尺寸、形狀、振動等進(jìn)行非接觸測量。


附圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為本實用新型的測量流程示意圖；附圖3為衍射光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
本實用新型的實施例。如附圖1所示，本實用新型的測量儀主要包括光學(xué)位移傳感器、三維垂直位移掃描工作臺和數(shù)字伺服聚焦裝置三大部分，光學(xué)位移傳感器用于探測在測量過程中由工件表面所引起的聚焦誤差信號，安裝在三維垂直位移掃描工作臺的的上方，光學(xué)位移傳感器的聚焦誤差信號輸入數(shù)字伺服聚焦裝置；三維垂直位移掃描工作臺上面放置需測量的工件；數(shù)字伺服聚焦裝置用于記錄、處理各個數(shù)據(jù)，并根據(jù)得到的數(shù)據(jù)輸出控制信號至三維垂直位移掃描工作臺的壓電陶瓷和三個方向的驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動三維垂直位移掃描工作臺的運動從而使光學(xué)位移傳感器的聚焦誤差信號近似為零，在三維垂直位移掃描工作臺上安裝衍射光柵位移傳感器，衍射光柵位移傳感器用于對工作臺的垂直位移進(jìn)行掃描和采集，衍射光柵位移傳感器的信號輸入數(shù)字伺服聚焦裝置中的計算機(jī)進(jìn)行處理后作為測量結(jié)果。
本實施例采用的光學(xué)位移傳感器由光電探測器(1)、分束棱鏡(2)、耦合物鏡(3)、半導(dǎo)體激光器(4)、透鏡(5)、偏振分光鏡(6)、1/4玻片(7)和聚焦物鏡(8)組成，半導(dǎo)體激光器(4)為DA650-1-5型半導(dǎo)體激光器，波長為650nm，外形尺寸為Φ11×60mm，功率為1mW。半導(dǎo)體激光器(4)與三維垂直位移掃描工作臺之間依次設(shè)有透鏡(5)、偏振分光鏡(6)、1/4玻片(7)和固定位置的聚焦物鏡(8)，在偏振分光鏡(6)側(cè)面設(shè)有耦合物鏡(3)、分束棱鏡(2)，分束棱鏡(2)分開光線照射的位置分別安裝有光電探測器(1)，光電探測器(1)的信號輸入數(shù)字伺服聚焦裝置。
三維垂直位移掃描工作臺由垂直位移掃描工作臺、X-Y工作臺(14)和衍射光柵位移傳感器(11)組成；可垂直移動的垂直位移掃描工作臺安裝在共基面運動的X-Y工作臺(14)上，垂直位移掃描工作臺上安裝衍射光柵位移傳感器(11)。垂直位移掃描工作臺和X-Y工作臺(14)完成對工件(9)三維空間的位移，衍射光柵位移傳感器(11)測量垂直位移掃描工作臺的垂直移動距離。本實施例的垂直位移掃描工作臺由斜面機(jī)構(gòu)(13)、壓電陶瓷(12)和工作臺(10)組成；它分粗、精兩級驅(qū)動，粗驅(qū)動由斜面機(jī)構(gòu)(13)及其伺服電機(jī)完成，斜面機(jī)構(gòu)(13)的斜面斜度為1∶10，絲桿螺距為1mm，伺服電機(jī)輸出10000脈沖/轉(zhuǎn)，則每步垂直位移量為10nm，行程設(shè)計為10mm。斜面機(jī)構(gòu)(13)安裝在X-Y工作臺(14)上；精兩級驅(qū)動由壓電陶瓷(12)完成，其設(shè)計行程為30μm；壓電陶瓷(12)安裝在斜面機(jī)構(gòu)(13)上方，壓電陶瓷(12)上方為放置工件(9)的工作臺(10)。
數(shù)字伺服聚焦裝置由光學(xué)位移傳感器信號處理電路(15)、衍射光柵位移傳感器信號處理電路(16)、計算機(jī)(20)、壓電陶瓷驅(qū)動電路(17)、斜面機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動電路(18)和X-Y方向電機(jī)驅(qū)動電路(19)組成；計算機(jī)(20)的輸入端連接光學(xué)位移傳感器信號處理電路(15)、衍射光柵位移傳感器信號處理電路(16)的輸出端，計算機(jī)(20)的輸出端連接壓電陶瓷驅(qū)動電路(17)、斜面機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動電路(18)和X-Y方向電機(jī)驅(qū)動電路(19)；計算機(jī)(20)處理來自光電探測器(1)和衍射光柵位移傳感器(11)的信號，控制和驅(qū)動壓電陶瓷(12)、斜面機(jī)構(gòu)(13)和X-Y工作臺(14)的電機(jī)，實現(xiàn)自動數(shù)字伺服聚焦。
衍射光柵位移傳感器(11)由反射光柵(21)、直角棱鏡(22)、光電接收器(23)和He-Ne激光器(24)組成，反射光柵(21)安裝在垂直位移掃描工作臺上，He-Ne激光器(24)安裝在反射光柵(21)的前方，二個直角棱鏡(22)分別安裝在反射光柵(21)兩側(cè)45度位置，反射光柵(21)前方還安裝光電接收器(23)，光電接收器(23)連接衍射光柵位移傳感器信號處理電路(16)。
工作時，將工件(9)放在工作臺(10)上并用半導(dǎo)體激光器(4)發(fā)射的激光照射工件(9)的表面，反射回來的激光通過耦合物鏡(3)會聚并經(jīng)分束棱鏡(2)分裂后投射到兩組電探測器(1)上。兩組光電探測器(1)接收光強(qiáng)信號的差分即為聚焦差信號。計算機(jī)(2)根據(jù)聚焦誤差信號驅(qū)動工作臺(10)以實現(xiàn)垂直位移掃描的伺服運動，使入射光束始終匯聚在被測工件(9)的表面上且聚焦誤差信號近似為零，這樣使得測量誤差達(dá)到最?。谎苌涔鈻盼灰苽鞲衅?11)掃描和采集垂直位移掃描工作臺的垂直移動距離，該信號經(jīng)衍射光柵位移傳感器信號處理電路(16)送到計算機(jī)(20)，即為一個采集到的垂直方向坐標(biāo)。通過移動工作臺，檢測工件(9)相對于工作臺(10)上不同的X朰-Z坐標(biāo)下，重復(fù)采集多個坐標(biāo)的測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算機(jī)(20)經(jīng)表面輪廓評定軟件處理即可得到測量結(jié)果。
為了精確計量工作臺(10)的移動距離，在三維垂直位移掃描工作臺上安裝反射光柵，激光入射到反射光柵，經(jīng)反射光柵一次衍射后形成+1級和-1級兩束衍射光，通過置于兩側(cè)的直角棱鏡將+1級和-1級衍射光反射回光柵并匯聚于光柵上另一點，經(jīng)過二次衍射后，將在垂直于Y軸放置的光電探測器上形成干涉條紋；當(dāng)工作臺(10)垂直運動時，將引起干涉條紋的相移，通過探測條紋的變化即可得到工件(9)的位移數(shù)據(jù)。光柵移動d/4距離時，條紋相移為2π，即變化一個周期。本系統(tǒng)采用的光柵，其光柵常數(shù)為1/1200mm，因此干涉條紋變化一個周期時，光柵移動量為1/4800mm，即為200nm，經(jīng)兩次衍射，以及對信號20細(xì)分，可達(dá)5nm的分辨率。
權(quán)利要求1.一種基于垂直位移掃描的非接觸式表面形貌測量儀，它包括光學(xué)位移傳感器、三維垂直位移掃描工作臺和數(shù)字伺服聚焦裝置，其特征在于用于探測聚焦誤差信號的光學(xué)位移傳感器安裝在三維垂直位移掃描工作臺的上方，光學(xué)位移傳感器的聚焦誤差信號輸入數(shù)字伺服聚焦裝置，數(shù)字伺服聚焦裝置輸出控制信號至三維垂直位移掃描工作臺的壓電陶瓷和三個方向的驅(qū)動電機(jī)，在三維垂直位移掃描工作臺上設(shè)有用于對工作臺的垂直位移進(jìn)行掃描和采集的衍射光柵位移傳感器，衍射光柵位移傳感器的信號輸入數(shù)字伺服聚焦裝置中的計算機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于垂直位移掃描的非接觸式表面形貌測量儀，其特征在于光學(xué)位移傳感器由光電探測器(1)、分束棱鏡(2)、耦合物鏡(3)、半導(dǎo)體激光器(4)、透鏡(5)、偏振分光鏡(6)、1/4玻片(7)和聚焦物鏡(8)組成，半導(dǎo)體激光器(4)與三維垂直位移掃描工作臺之間依次設(shè)有透鏡(5)、偏振分光鏡(6)、1/4玻片(7)和固定位置的聚焦物鏡(8)，在偏振分光鏡(6)側(cè)面設(shè)有耦合物鏡(3)、分束棱鏡(2)，分束棱鏡(2)分開光線照射的位置分別設(shè)有光電探測器(1)，光電探測器(1)的信號輸入數(shù)字伺服聚焦裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于垂直位移掃描的非接觸式表面形貌測量儀，其特征在于三維垂直位移掃描工作臺由垂直位移掃描工作臺、X-Y工作臺(14)和衍射光柵位移傳感器(11)組成；可垂直移動的垂直位移掃描工作臺安裝在X-Y工作臺(14)上，垂直位移掃描工作臺上設(shè)有衍射光柵位移傳感器(11)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于垂直位移掃描的非接觸式表面形貌測量儀，其特征在于垂直位移掃描工作臺由斜面機(jī)構(gòu)(13)、壓電陶瓷(12)和工作臺(10)組成；帶電機(jī)的斜面機(jī)構(gòu)(13)安裝在X-Y工作臺(14)上，斜面機(jī)構(gòu)(13)上方設(shè)有壓電陶瓷(12)，壓電陶瓷(12)上方為放置工件(9)的工作臺(10)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于垂直位移掃描的非接觸式表面形貌測量儀，其特征在于數(shù)字伺服聚焦裝置由光學(xué)位移傳感器信號處理電路(15)、衍射光柵位移傳感器信號處理電路(16)、計算機(jī)(20)、壓電陶瓷驅(qū)動電路(17)、斜面機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動電路(18)和X-Y方向電機(jī)驅(qū)動電路(19)組成；計算機(jī)(20)的輸入端連接光學(xué)位移傳感器信號處理電路(15)、衍射光柵位移傳感器信號處理電路(16)的輸出端，計算機(jī)(20)的輸出端連接壓電陶瓷驅(qū)動電路(17)、斜面機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動電路(18)和X-Y方向電機(jī)驅(qū)動電路(19)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于垂直位移掃描的非接觸式表面形貌測量儀，其特征在于衍射光柵位移傳感器(11)由反射光柵(21)、直角棱鏡(22)、光電接收器(23)和He-Ne激光器(24)組成，反射光柵(21)安裝在垂直位移掃描工作臺上，He-Ne激光器(24)安裝在反射光柵(21)前方，二個直角棱鏡(22)分別設(shè)在反射光柵(21)兩側(cè)45度位置，反射光柵(21)前方還設(shè)有光電接收器(23)。
專利摘要本實用新型公開了一種基于垂直位移掃描的非接觸式表面形貌測量儀，它由非接觸式光學(xué)位移傳感器、三維垂直位移掃描工作臺和數(shù)字伺服聚焦裝置組成，并與其他組件共同構(gòu)建了整個閉環(huán)控制的非接觸式表面形貌測量裝置。本實用新型將聚焦物鏡位置固定，通過移動工作臺來測量數(shù)據(jù)，提高了測量的精度，同時采用光柵衍射得到干涉條紋，通過對干涉條紋的相移變化得到工作臺垂直方向位移的測量數(shù)據(jù)，大大提高了測量精度。從而真正實現(xiàn)了高精度、大量程的非接觸測量，并且具有速度快、性價比高的特點。本實用新型可對不同材料構(gòu)件的輪廓尺寸、形狀、波度及表面粗糙度的二、三維非接觸式綜合測量。
文檔編號G01B11/30GK2867287SQ20062020006
公開日2007年2月7日 申請日期2006年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月24日
發(fā)明者楊旭東, 陳育榮, 李屹, 謝鐵邦 申請人:貴州大學(xué)