專利名稱：白光干涉測(cè)量樣品表面形狀精細(xì)分布的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型內(nèi)容屬于光學(xué)測(cè)量?jī)x器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光學(xué)非接 觸測(cè)量裝置，特別是一種利用白光千涉原理測(cè)量樣品表面形狀精細(xì)分 布的測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
近年來，隨著精密制造技術(shù)的進(jìn)步與H利用光干涉方法及其 裝置檢測(cè)物體表面形狀特別是精密光學(xué)平面物體表面形狀的技術(shù)已 得到日益廣泛的應(yīng)用。目前本領(lǐng)域已為使用者公知的光千涉測(cè)量?jī)x主 要有單波干涉儀和多波干涉儀兩種類型，但它們?cè)谟糜趯?duì)具有光學(xué)平
面的試驗(yàn)物體或樣品表面形狀分布進(jìn)行非常高精度的測(cè)量時(shí)，相應(yīng)還 存在有數(shù)據(jù)采樣時(shí)間較長(zhǎng)、儀器本身的抗干擾能力較差以及儀器的測(cè) 量精度和工作穩(wěn)定性不高等問題。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題加以解決，進(jìn)而提 供一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、操作使用方便、數(shù)據(jù)釆樣時(shí)間短、儀器抗千擾 能力強(qiáng)、測(cè)量精度高和工作穩(wěn)定性能好的白光干涉測(cè)量樣品表面形狀 精細(xì)分布的裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的而采用的技術(shù)解決方案是這樣的所提供的 白光干涉測(cè)量樣品表面形狀精細(xì)分布的裝置具有一個(gè)由白光光源、透 鏡和半反半透分光鏡組成的照明光源系統(tǒng)、 一個(gè)由CCD相機(jī)和透鏡組 成的光學(xué)成像系統(tǒng)和一個(gè)由干涉顯微物鏡和樣品放置臺(tái)組成的垂直 掃描系統(tǒng)，半反半透分光鏡以45°傾角設(shè)置在照明光源系統(tǒng)的光軸 方向上，將光源照明光束分為下行反射光和上行或平行透射光兩束 光，光學(xué)成像系統(tǒng)的透鏡和CCD相機(jī)同軸依次設(shè)置在其透射光的光軸 方向上，干涉顯微物鏡包括顯微透鏡、半反半透參考鏡和分光鏡，它 們依次同軸設(shè)置在半反半透分光M射光軸的下方，樣品放置臺(tái)設(shè)置 在干涉顯微物鏡的下方?？刂平Y(jié)構(gòu)上，該裝置CCD相機(jī)的信號(hào)輸出端
與 一 臺(tái)配備了圖像采集卡和相關(guān)圖像采集軟件的計(jì)算機(jī)的信號(hào)輸入 端連接，干涉顯微物鏡設(shè)置在一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)做上下移動(dòng)的閉 環(huán)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器上，計(jì)算機(jī)的輸出工作端可以通過閉環(huán)壓電陶資驅(qū) 動(dòng)器驅(qū)使干涉顯微物鏡做上下移動(dòng)，使干涉顯微物鏡和試驗(yàn)樣品之間 形成不同的測(cè)量間距。
工作中，由半反半透分光鏡反射的光束分別投射到樣品和干涉顯 微物鏡的參考鏡表面，從這兩個(gè)表面反射的兩束光(參考光和物體光)
再次通過半反半透分光鏡后合成一束光，并由成像系統(tǒng)在CCD相機(jī)感 光面形成兩個(gè)疊加的像。由于兩束光相互干涉，在CCD相機(jī)感光面會(huì) 觀察到明暗相間的干涉條紋。實(shí)際測(cè)量時(shí)，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，垂 直掃描系統(tǒng)精密驅(qū)動(dòng)干涉顯微物鏡從上往下移動(dòng)，對(duì)樣品表面進(jìn)行掃 描，使兩束光光程差的大小發(fā)生改變。CCD相機(jī)通過圖像采集卡與計(jì) 算機(jī)連接，在掃描過程中的每一個(gè)抽樣位置，CCD相機(jī)都拍攝一幅干 涉圖像，并將拍攝的圖像實(shí)時(shí)傳送給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)將這些千涉圖像 依次整理，形成一系列干涉困像。
本實(shí)用新型所述測(cè)量裝置所使用的光源為白光光源，包括連續(xù)分 布單色光。各個(gè)單色光自己相干，形成各自獨(dú)立的千涉條紋，各個(gè)單 色光的干涉條紋在CCD相機(jī)感光面上線性疊加，形成白光干涉條紋。 白光干涉條紋的強(qiáng)度與參考光和物體光兩束光的光程差密切相關(guān)，當(dāng) 兩束光的光程差相同時(shí)，各單色光干涉條紋具有相同的位相，最0 成的白光干涉條紋強(qiáng)度最大；隨著干涉顯微物鏡與樣品間距的變化， 兩束光的光程差出現(xiàn)了差別，各單色光的位相也相應(yīng)出現(xiàn)差別，導(dǎo)致 白光干涉條紋降低，直至最后消失，最終合成的白光干涉條紋信號(hào)具 有振幅受到調(diào)制信號(hào)的余弦函數(shù)的分布。振幅調(diào)制信號(hào)與光源的光譜 分布相關(guān)， 一般具有高斯函數(shù)或近似高斯函數(shù)分布。高斯函數(shù)分布也 可以稱做是余弦函數(shù)的包羅線分布，它所出現(xiàn)的位置由樣品的高度來 決定，所以根據(jù)高斯函數(shù)分布中心即包羅線分布中心就可以唯一確定 樣品的高度。
在對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理方面，本實(shí)用新型所述測(cè)量裝置直接采集白 光干涉條紋包羅線信息。由于包羅線的周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于干涉條紋自身的
周期，根據(jù)Nyquist采樣原理，可使用較大的采樣間隔，這樣不僅大 幅度降低了數(shù)據(jù)采集時(shí)間，而且有效抑制了高頻噪聲混入有用信號(hào)， 提高了采樣數(shù)據(jù)的信噪比，增強(qiáng)了裝置本身的抗干擾能力。在采用大
間隔采樣的同時(shí)，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)者還根據(jù)干涉條紋的周期性特點(diǎn)， 引入了一種非等間隔采樣算法，該采樣算法經(jīng)實(shí)驗(yàn)^iiE，在很大程度 上提高了采樣數(shù)據(jù)的信噪比。此外，在信號(hào)處理階段，本實(shí)用新型不 僅利用千涉條紋的強(qiáng)弱信息，還利用了干涉條紋的位相信息，使裝置 的測(cè)量精度以及工作穩(wěn)定性都得到了極大的改善。

附圖為本實(shí)用新型一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的內(nèi)容做進(jìn)一步說明，但 本實(shí)用新型的實(shí)際制作結(jié)構(gòu)并不僅限于下述的實(shí)施例。
參見附圖，本實(shí)用新型所述的白光干涉測(cè)量樣品表面形狀精細(xì)分 布的裝置由白光光源4、透鏡3、半反半透分光鏡ll、 CCD相機(jī)1、 透鏡2、干涉顯微物鏡I 、樣品放置臺(tái)9和閉環(huán)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器10 等組成。白光光源4、透鏡3和半反半透分光鏡11構(gòu)成裝置的照明 光源系統(tǒng)，由其發(fā)出的照明光束經(jīng)按45°傾角設(shè)置的半反半透分光 鏡11后分為下行反射光和上行透射光兩束光。CCD相機(jī)1和透鏡2 構(gòu)成裝置的光學(xué)成像系統(tǒng)，設(shè)置在半反半透分光鏡11透射光的光軸 方向上，其中CCD相機(jī)1的信號(hào)輸出端與計(jì)算機(jī)12的信號(hào)輸入端連 接。干涉顯微物鏡I的結(jié)構(gòu)如附圖中的虛線方框所示，由常規(guī)顯微透 鏡5、半反半透參考鏡6以及分光鏡7組成，干涉顯微物鏡I和用于 放置樣品8的樣品放置臺(tái)9依次同軸設(shè)置在半反半透分光鏡11反射 光軸的下方，構(gòu)成裝置的垂直掃描系統(tǒng)。閉環(huán)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器10受 控于計(jì)算機(jī)工作，其作用是帶動(dòng)干涉顯微物鏡I沿上下移動(dòng)，對(duì)樣品 8表面進(jìn)行掃描。
權(quán)利要求1、一種白光干涉測(cè)量樣品表面形狀精細(xì)分布的裝置，其特征在于具有一個(gè)由白光光源(4)、透鏡(3)和半反半透分光鏡(11)組成的照明光源系統(tǒng)、一個(gè)由CCD相機(jī)(1)和透鏡(2)組成的光學(xué)成像系統(tǒng)和一個(gè)由干涉顯微物鏡(I)和樣品放置臺(tái)(9)組成的垂直掃描系統(tǒng)，半反半透分光鏡(11)以45°傾角設(shè)置在照明光源系統(tǒng)的光軸方向上，將光源照明光束分為下行反射光和上行或平行透射光兩束光，光學(xué)成像系統(tǒng)的透鏡(2)和CCD相機(jī)(1)同軸依次設(shè)置在其透射光的光軸方向上，干涉顯微物鏡(I)包括顯微透鏡(5)、半反半透參考鏡(6)和分光鏡(7)，它們依次同軸設(shè)置在半反半透分光鏡(11)反射光軸的下方，樣品放置臺(tái)(9)設(shè)置在干涉顯微物鏡的下方。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光干涉測(cè)量樣品表面形狀精細(xì)分布 的裝置，其特征在于CCD相機(jī)(1)的信號(hào)輸出端與一臺(tái)配備了圖像采 集卡和相關(guān)圖像采集軟件的計(jì)算機(jī)(12)的信號(hào)輸入端連接，干涉顯微 物鏡(I )設(shè)置在一個(gè)由計(jì)算機(jī)(12)控制驅(qū)動(dòng)做上下移動(dòng)的閉環(huán)壓電 陶瓷驅(qū)動(dòng)器(10)上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的白光干涉測(cè)量樣品表面形狀精細(xì)分布 的裝置，其特征在于樣品放置臺(tái)(9)為一個(gè)由計(jì)算機(jī)(12)控制驅(qū)動(dòng)并 可在二維平面內(nèi)任意自動(dòng)移動(dòng)的電動(dòng)式放置臺(tái)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種白光干涉測(cè)量樣品表面形狀精細(xì)分布的裝置，由白光光源、半反半透分光鏡、CCD相機(jī)、干涉顯微物鏡和樣品放置臺(tái)等組成，分光鏡將光源照明光束分為反射和透射兩束光，CCD相機(jī)設(shè)置在其透射光軸方向上，干涉顯微物鏡由顯微透鏡、半反半透參考鏡和分光鏡組成，它們和樣品放置臺(tái)依次同軸設(shè)置在半反半透分光鏡反射光軸方向上，CCD相機(jī)的信號(hào)輸出端與計(jì)算機(jī)的信號(hào)輸入端連接，計(jì)算機(jī)的輸出工作端可驅(qū)動(dòng)干涉顯微物鏡做上下移動(dòng)。工作中，分光鏡反射光束分別投射到樣品和參考鏡表面，二者反射的兩束光再次通過半反半透分光鏡后合成一束光，并在CCD相機(jī)感光面形成干涉條紋，根據(jù)白光干涉條紋明暗度變化信息，可以解析出被測(cè)物體表面的相對(duì)高度。
文檔編號(hào)G01B9/02GK201050978SQ20072003204
公開日2008年4月23日 申請(qǐng)日期2007年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月15日
發(fā)明者張民芳, 武 成 申請(qǐng)人:西安普瑞光學(xué)儀器有限公司