分瞳式移相干涉共焦微位移測量裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種分瞳式移相干涉共焦微位移測量裝置，屬于超精密測量領(lǐng)域。該裝置解決了基于PBS分光的移相干涉共焦系統(tǒng)中存在的抗干擾能力差，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度低的問題。本發(fā)明裝置主要包括四路移相干涉光路和分瞳式共焦差分探測光路；該裝置利用二維Ronchi光柵分出的四束光，經(jīng)偏振移相陣列后，轉(zhuǎn)變成相位差依次為90°的線偏振光；1、3象限兩束光通過分瞳式位相濾波器實現(xiàn)正移焦，2、4象限兩束光通過分瞳式位相濾波器實現(xiàn)負(fù)移焦；最后利用CCD相機構(gòu)成的軟針孔陣列同時采集四路干涉、共焦信號。本發(fā)明將移相干涉與共焦差分探測集成在同一光路，可在較大測量范圍內(nèi)實現(xiàn)微位移測量。
【專利說明】
分瞳式移相干涉共焦微位移測量裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種分瞳式移相干涉差分共焦微位移測量裝置，屬于超精密測量領(lǐng) 域，主要涉及較大工作距離、高分辨力的微小結(jié)構(gòu)與幾何形貌等測量應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 暨1957年M.Minsky提出共焦測量技術(shù)，通過引入針孔探測器抑制雜散光，實現(xiàn)了 高分辨力三維掃描之后，不同的共焦顯微測量技術(shù)和裝置不斷涌現(xiàn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于微光 學(xué)、微機械、表面科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域，具有寬廣的應(yīng)用前景。
[0003] 為了克服環(huán)境振動、實現(xiàn)高精度絕對位置測量，將移相干涉技術(shù)與差動共焦技術(shù) 相結(jié)合，將位移變化轉(zhuǎn)換成位相變化，并利用共焦顯微技術(shù)的零點特性實現(xiàn)微位移和微結(jié) 構(gòu)表面形貌測量。專利：基于移相干涉的二次共焦測量方法與裝置（專利公開號： CN101275822A)，提出一種移相干涉二次共焦測量技術(shù)，利用共焦點探測和移相干涉技術(shù)， 獲得正、負(fù)離焦?fàn)顟B(tài)下的相位信息，根據(jù)相位解算得到實際位移測量結(jié)果。但是該項技術(shù)利 用物理針孔探測，在實際裝調(diào)過程中存在很多困難，影響最終測量結(jié)果，引入測量誤差。專 利:移相干涉二次共焦軟針孔探測裝置與方法(專利公開號:CN101520304A)，提出軟針孔共 焦探測技術(shù)，利用顯微物鏡和CCD相機的組合來代替移相干涉二次共焦測量技術(shù)中探測針 孔與點探測器裝置，調(diào)整顯微物鏡和CCD相機使其實現(xiàn)物理針孔探測作用，降低了裝調(diào)誤 差，提高點探測精度。但在該方法中，由于采用四步時間移相干涉，其測量的實時性和抗干 擾能力明顯降低;測量時需要移動顯微物鏡和CCD相機來完成離焦探測，其測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù) 雜。針對上述問題，本發(fā)明提出一種利用二維Ronchi光柵分光的空間移相干涉和分瞳式位 相光瞳濾波器相結(jié)合的移相干涉共焦顯微技術(shù)，提高了信號采集的同步性和抗共模干擾能 力，并且不需要移動顯微物鏡與CCD相機即可同時實現(xiàn)對正、負(fù)離焦的四步移相干涉共焦信 號進(jìn)行采集。該技術(shù)可應(yīng)用于微位移、絕對位置測量和三維表面形貌測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種分瞳式移相干涉共焦微位移測量 裝置，該裝置具有測量工作距離大、抗干擾能力強、分辨力高和集成度高的特點。本發(fā)明利 用光柵分光與偏振移相陣列結(jié)構(gòu)相結(jié)合，同時產(chǎn)生四路不同移相量的干涉光，利用分瞳式 位相光瞳濾波器改變探測物鏡的聚焦特性，使各光路分別實現(xiàn)正、負(fù)移焦，利用CCD相機構(gòu) 成軟針孔陣列探測裝置。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0006] -種分瞳式移相干涉共焦微位移測量裝置，包括光源、檢偏器、擴束鏡和1/2波片 組成光源系統(tǒng)，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角為45°的線偏振光;經(jīng)偏振分光棱鏡PBS，其中一束透過的P光，經(jīng) 第一 1/4波片、測量物鏡、待測物組成測量臂，獲取被測位移信息，由于兩次經(jīng)過第一 1/4波 片，P光變?yōu)镾光，再次經(jīng)PBS反射;另一束經(jīng)偏振分光棱鏡反射的S光、經(jīng)第二1/4波片、參考 反射鏡組成參考臂，獲取參考位移信息，同理S光變?yōu)镻光，再次經(jīng)PBS透射。兩束光在PBS上 重合，經(jīng)過第三1/4波片后發(fā)生干涉，將被測位移信息轉(zhuǎn)變成相位。干涉光經(jīng)光柵分光與光 闌陣列選出完全相同的（±1，±1)衍射光，這四束光分別經(jīng)過偏振移相陣列的不同象限，使 得四束干涉光的相位差分別為0°、90°、180°、270°。
[0007] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，還包括四象限位相光瞳濾波器，相位差為0°和180°的 兩束光分別通過能產(chǎn)生正移焦的分瞳式位相光瞳濾波器的光瞳區(qū)域，另外的兩束光分別通 過能產(chǎn)生負(fù)移焦的分瞳式位相光瞳濾波器的光瞳區(qū)域。
[0008] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，還包括四路干涉平行光由同一收集物鏡聚焦，并利用 放大鏡頭將收集物鏡焦面的聚焦光斑成像在CCD上，通過2X2軟針孔陣列探測技術(shù)對移焦 后的四束光強進(jìn)行采集。
[0009] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，還包括利用測量物鏡、收集物鏡、和CCD構(gòu)成的四路移 相干涉共焦顯微成像光路。
[0010] -種分光瞳式移相干涉共焦微位移測量裝置，其測量方法如下：
[0011] 由上述光路得到四路光強信息分別為仏^仏利用下面公式⑴和⑵對四路 采集光強信號進(jìn)行處理，
[0014] 其中，A、B、C、D分別代表移相0°、90°、180°、270°，UD為位相光瞳濾波器引入的移焦 量，T為光強振幅系數(shù)，K為相位離焦量系數(shù)，Δρ(〃)為被測物離焦量u轉(zhuǎn)換成的相位信息。首 先利用差分曲線Idlff的零點特性選取干涉光強Iphase變化的主周期，然后在Iphase主周期里實 現(xiàn)高精度測量，還原被測物的微位移變化值。
[0015] 本發(fā)明具有以下顯著特點和有益效果：
[0016] 1、利用二維光柵、四象限偏振移相陣、分瞳式位相濾波器與軟針孔陣列相結(jié)合，將 四步移相干涉技術(shù)與共焦顯微技術(shù)緊密結(jié)合在一起，可實現(xiàn)高精度絕對位置測量，同時使 系統(tǒng)集成度顯著提高；
[0017] 2、利用分瞳式位相光瞳濾波器可使不同象限的信號光在同一收集透鏡下，同時分 別發(fā)生正、負(fù)離焦，實現(xiàn)了各光路共面探測;此外，由于差動共焦系統(tǒng)中，針孔離焦距離不正 確將嚴(yán)重影響系統(tǒng)分辨力和測量范圍，本發(fā)明利用分瞳式位相濾波器，使得探測針孔位置 能很容易處于最優(yōu)位置；
[0018] 3、利用軟針孔陣列代替?zhèn)鹘y(tǒng)的物理針孔，解決了共焦系統(tǒng)針孔位置調(diào)整困難的問 題。
【附圖說明】
[0019] 附圖1為分瞳式移相干涉差分共焦測量裝置示意圖。
[0020] 圖中件號說明：1-激光器、2-檢偏器、3-擴束鏡、4-1/2波片、5-偏振分光棱鏡、6-第 一 1/4波片、7-測量物鏡、8-待測物、9-第二1/4波片、10-參考反射鏡、11-第三1/4波片、12-二維Ronchi光柵、13-光闌陣列、14-偏振移相陣列、15-分瞳式四象限位相光瞳濾波器、16-收集物鏡、17-CCD。
[0021 ]附圖2為二維Ronchi光柵分光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不意圖 [0022]附圖3為偏振移相陣列示意圖
[0023] 附圖4為分瞳式四象限位相光瞳濾波器示意圖
[0024] 附圖5為分瞳式同步移相干涉差分共焦特性曲線圖，其中（a)為移相干涉共焦系統(tǒng) 中共焦軸向響應(yīng)特性曲線圖，（b)為移相干涉與差分共焦系統(tǒng)軸向響應(yīng)特性曲線圖
【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明整體實施實例作詳細(xì)說明。
[0026] 如圖1，激光光源1發(fā)出的光經(jīng)過檢偏器2，使P光通過，P光由準(zhǔn)直擴束鏡3擴束，經(jīng) 過快軸與光軸夾角為22.5°的1/2波片4改變其偏轉(zhuǎn)角成45°，經(jīng)TOS5透過的P光，經(jīng)過第一 1/ 4波片6、測量物鏡7,由待測物8反射經(jīng)過測量物鏡7和第一 1/4波片6轉(zhuǎn)變成S光，經(jīng)PBS5反 射;另一束經(jīng)PBS5反射的與P光等光強的S光，經(jīng)過第二1/4波片9,由參考反射鏡10反射再次 經(jīng)過第二1/4波片9轉(zhuǎn)變成P光，經(jīng)TOS5透過與反射的測量光重合，經(jīng)過第三1/4波片11發(fā)生 干涉，將被測位移信息轉(zhuǎn)變成相位。干涉光經(jīng)二維Ronchi光柵12分光與光闌陣列13選出完 全相同的（±1，±1)衍射光(如附圖2所示為光柵與光闌陣列結(jié)構(gòu)圖），這四束光分別經(jīng)過偏 振移相陣列14(如附圖3所示為偏振移相陣列）的不同象限，使得四束光的相位差分別為0°、 90°、180°、270°。
[0027]相位差為0°和180°的兩束光(A和C)，分別通過能使其發(fā)生正移焦的分瞳式位相光 瞳濾波器15的光瞳區(qū)域;另外的兩束光(B和D)分別通過能使其發(fā)生負(fù)移焦的分瞳式位相光 瞳濾波器15的光瞳區(qū)域。通過顯微物鏡16和CCD相機17組成的軟針孔探測裝置對移焦后的 四束光進(jìn)行米集。
[0028]本具體實施例中采用的分瞳式位相濾波器15的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示，四個象限的 光瞳函數(shù)為：
[0030] 式中以子光瞳圓心為坐標(biāo)原點建立的函數(shù)，a表示振幅透過率系數(shù)，m為分瞳式位 相濾波器對應(yīng)的光瞳，P表示為相位透過率，r表示子光瞳各個環(huán)的半徑。
[0031] 將探測到的四路光強1^18、1^^利用式（1)進(jìn)行計算，作為差分共焦系統(tǒng)輸出量 Idlff，如附圖5(a)所示，利用差分共焦Idlff的特性曲線獲得被測面的位置的粗測量;利用式 ⑵進(jìn)行計算，獲得移相干涉系統(tǒng)的輸出量I Phase，如附圖5(b)所示;利用被測面位置的粗測 量的結(jié)果選取IPh ase測量的主周期，實現(xiàn)被測面位置的高精度測量。
[0032] 以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作了說明，但這些說明不能被理解為限制 本發(fā)明的范圍。
[0033] 本發(fā)明的保護范圍由隨附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上的改 動都是本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種分瞳式移相干涉共焦微位移測量裝置，其特征在于：包括激光器（1)、檢偏器 (2)、準(zhǔn)直擴束鏡(3)、1/2波片(4)、偏振分光棱鏡(5)、第一1/4波片(6)、第一測量物鏡(7)、 被測物(8)、第二1 /4波片(9)、參考反射鏡（10)、第三1 /4波片（11)、二維Ronchi光柵(12)、分 光光闌（13)、偏振移相陣列（14)、分瞳式位相光瞳濾波器（15)、收集物鏡（16)、CCD相機 (17)； 其中激光器（1)、檢偏器(2)、準(zhǔn)直擴束鏡(3)、1/2波片(4)、偏振分光棱鏡（5)、第一 1/4 波片(6)、被測物(8)、第二1/4波片(9)、參考反射鏡（10)、第三1/4波片（11)組成泰曼格林干 涉系統(tǒng);二維Ronchi光柵（12)、分光光闌（13)與偏振移相陣列（14)組成四路分光移相偏振 結(jié)構(gòu)；激光器（1 )、第一測量物鏡（7 )、被測物(8)與分瞳式位相光瞳濾波器（15 )、收集物鏡 (16)、CCD相機(17)組成差分共焦探測裝置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分瞳式移相干涉共焦微位移測量裝置，其特征在于:測量物鏡 (7)將入射平行光聚焦成點，照射到被測物表面上。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分瞳式移相干涉共焦微位移測量裝置，其特征在于：二維 Ronchi光柵（12)作為分光元件，其偶數(shù)級次衍射光光強為0，（ ± 1，± 1)級次衍射光最強;所 述的偏振移相陣列（14)為2X2陣列，透光軸依次為0°、45°、90°、135°，利用此陣列可以實現(xiàn) 干涉光移相依次為0°，90°，180°，270°。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分瞳式移相干涉共焦微位移測量裝置，其特征在于:分光瞳式 位相光瞳濾波器(15)，其結(jié)構(gòu)中包括4個關(guān)于中心對稱的子光瞳區(qū)，每個子光瞳濾波器為圓 對稱，二環(huán)或多環(huán)結(jié)構(gòu)。其中1、3象限子光瞳可實現(xiàn)正向移焦，2,4象限子光瞳可實現(xiàn)負(fù)向移 焦。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分瞳式移相干涉共焦微位移測量裝置，其特征在于:CCD(17) 作為光強測量裝置，利用圖像處理技術(shù)構(gòu)建4個軟針孔，以替代共焦系統(tǒng)的硬針孔，在同一 (XD相機上對四束光斑同時采集處理。
【文檔編號】G01B11/00GK105865339SQ201610317208
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月12日
【發(fā)明人】黃向東, 譚久彬, 向小燕
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)