CN113029033A - 一种显微表面测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种显微表面测量装置，包括投影屏、基座、显微物镜、成像透镜及CCD探测器，以所述投影屏、显微物镜、成像透镜和CCD探测器构建离轴光学系统，所述基座用于放置所述测试元件，其中，所述处理器连接所述投影屏和所述CCD探测器，所述处理器根据预存设置使所述投影屏产生一正弦条纹光信号，该正弦条纹光信号以一特定角度投射至测试元件上，经过所述测试元件的表面反射至所述显微物镜形成一汇聚光束，该汇聚光束经过所述成像透镜，在所述CCD探测器中呈现一变形条纹光信号，所述处理器对所述变形条纹光信号进行分析，获取所述测试元件的面形信息。
Description
技术领域
本发明属于测量技术领域，具体涉及一种显微表面测量装置。
背景技术
随着微纳米制造技术水平的飞速发展，元器件不断朝着小型化发展，自 由曲面光学元件、微小尺寸元件等已广泛应用于各个领域。对于元器件微形 变的测量需求逐渐增大，测量精度、速度、动态范围的要求也不断提高，因 此对测量工具提出了更高的要求。
探针式轮廓仪测量复杂表面元件微观轮廓具有较高的测量精度，但是， 由于点对点扫描的工作机制，这些方法非常耗时且效率低下。此外，它们容 易受到环境干扰且易损害测试元件表面。干涉显微镜作为一种强大的非接触 式测量工具，由于其纳米级测量精度和高空间分辨率而得到广泛应用。然而， 干涉显微镜存在测量动态范围小、易受环境干扰、检测成本高等缺点不适合 测量较大动态范围的光学元件。中国专利申请公布号(CN110763159 A)， 名称为“一种光学偏折显微表面测量装置及方法”的发明专利，其特征在于 采用投影屏、分光棱镜、测试元件、显微物镜、成像透镜和CCD探测器组 成逆向哈特曼光学检测系统，该系统虽可实现对元件表面的快速测量，但由 于同轴光路的设计，编码条纹经测试元件所成的像到测试元件之间的距离较 大，使系统显微成像部分存在景深不足的缺点；此外，其分光棱镜的尺寸会 限制CCD探测器的有效接收范围，分光棱镜还会引入不可消除的系统误差， 无法实现精确的显微测量。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于实现对微小尺寸元件的高精度测 量。
基于上述目的，本发明提出一种显微表面测量装置，包括该装置包括投 影屏、基座、显微物镜、成像透镜、CCD探测器和处理器，以所述投影屏、 显微物镜、成像透镜和CCD探测器构建离轴光学系统，所述基座用于放置 测试元件，其中，所述处理器连接所述投影屏和所述CCD探测器，所述处 理器产生一正弦条纹光信号经过所述投影屏以一特定角度投射至测试元件上， 经过所述测试元件的表面反射至所述显微物镜形成一汇聚光束，该汇聚光束 经过所述成像透镜，在所述CCD探测器中呈现一变形条纹光信号，所述处 理器对所述变形条纹光信号进行分析，获取所述测试元件的面形信息；
其中，所述特定角度为测试元件的机械中心轴与所述投影屏的中心光轴 的夹角，所述夹角设置为0°至20°。
作为优选，所述投影屏置于所述测试元件侧面，所述显微物镜、成像透 镜和CCD探测器依次置于所述测试元件上方。
作为优选，所述显微表面测量装置还包括基座，所述基座用于放置所述 测试元件，使所述测试元件可以相对于所述显微物镜上下移动或旋转。
作为优选，所述测试元件置于所述显微物镜的焦平面上。
作为优选，所述测试元件的机械中心轴与所述投影屏的中心光轴的夹角 设置为15°。
作为优选，所述显微物镜和所述成像透镜组成的光学系统的景深大于所 述测试元件到投影屏的距离，以获取清晰的所述变形条纹光信号。
作为优选，所述投影屏的亮度不小于2000cd/m2。
基于上述目的，本发明还提出一种如上所述的显微表面测量装置的测量 方法，包括步骤如下：
S1、对该显微表面测量装置的结构位置参数进行标定，选定测量中心光 轴与所述测试元件的夹角角度，构建理想光学显微偏折模型，获取在所述测 试元件上的理想光斑分布；
S2、计算采集到的所述变形条纹光信号的相位分布；
S3、根据所述相位分布，获取所述测试元件的实际光斑分布；
S4、将所述实际光斑分布与所述理想光斑分布比较，得到所述测试元件 的面形信息。
作为优选，所述步骤S1中的测量中心光轴为所述投影屏出发到所述测 试元件的测量光线；
在所述理想光学偏折模型中，将所述CCD探测器的小孔作为点光源， 将所述测试元件的投射面设为理想面。
作为优选所述步骤S4还包括获取实际光斑坐标值和理想光斑坐标值， 根据所述实际光斑坐标值和所述理想光斑坐标值得到所述测试元件的波前斜 率；根据所述波前斜率进行分析，得到该测试元件的面形信息。
与现有技术相比，本发明的益处有：
改善了光学结构，取消了分光棱镜的设置，减少光路距离，从同轴光路 系统变成离轴光路系统，选定合适的成像镜头与显微物镜匹配，使得组合的 光学系统在复杂曲面轮廓测量中有足够的景深，使CCD探测器能够获取测 试元件的高清光学信息，同时获取待测元件镜面反射所成的虚像的高清信息， 根据测量方法建立理想光学模型，利用理想模型情况与实际获得的光学信息 进行比对，在不提高成本的情况下有效提高了测量精度。采用高亮度的投影 屏，增加CCD探测器收集的光能，极大地提高了信噪比；选定合适的被测 元件和检测光路的夹角，可实现高精度的显微面形测量。
附图说明
图1为本发明的显微表面测量装置的一种实施例示意图；
图2为CCD探测器接收的X方向条纹信号示意图；
图3为CCD探测器接收的Y方向条纹信号示意图；
图4为本发明的显微表面测量装置的一种实施例测量结果图；
图5为本发明的的显微表面测量装置的一种实施例测试角度对比图；
其中，1：投影屏，2：测试元件，3：显微物镜，4：成像透镜，5：CCD 探测器。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实 施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的 结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
本发明提出一种显微表面测量装置，如图1所示，该装置包括投影屏、 基座、显微物镜、成像透镜、CCD探测器和处理器，以所述投影屏、显微物 镜、成像透镜和CCD探测器构建离轴光学系统，所述基座用于放置测试元 件，其中，所述处理器连接所述投影屏和所述CCD探测器，所述处理器产 生一正弦条纹光信号经过所述投影屏以一特定角度投射至测试元件上，经过 所述测试元件的表面反射至所述显微物镜形成一汇聚光束，该汇聚光束经过所述成像透镜，在所述CCD探测器中呈现一变形条纹光信号，所述处理器 对所述变形条纹光信号进行分析，获取所述测试元件的面形信息；
其中，所述特定角度为测试元件的机械中心轴与所述投影屏的中心光轴 的夹角，所述夹角设置为0°至20°；该夹角也等同于所述测试元件的机械 中心轴与所述显微物镜的中心光轴的夹角。
在本发明的一些实施例中，以基座的位置作为基准，将测试元件2放置 在基座上，投影屏1放置于测试元件2的左侧，显微物镜3、成像透镜4、 CCD探测器5依次放置在测试元件2的上方，CCD探测器5、成像透镜4、 显微物镜3的光轴与放置测试元件2的机械中心轴保持同轴。通过调整基座 可以使测试元件2相对的上下移动或旋转，实现微调，保证测试元件2表面 位于显微物镜3的焦平面上，将测试元件的机械中心轴与所述投影屏的中心 光轴的夹角设置成15°，再对高亮投影屏1相对左右移动使得测试元件2反 射高亮投影屏1出射的光能被CCD探测器5摄取得到清晰完整的像，最后 对整个装置保持位置固定；
基于上述显微表面测量装置，本发明提出一种测量方法，其步骤如下：
S1、对该显微表面测量装置的结构位置参数进行标定，选定测量中心光 轴与所述测试元件的夹角角度，构建理想光学显微偏折模型，获取在所述测 试元件上的理想光斑分布；
S2、计算采集到的所述变形条纹光信号的相位分布；
S3、根据所述相位分布，获取所述测试元件的实际光斑分布；
S4、将所述实际光斑分布与所述理想光斑分布比较，得到所述测试元件 的面形信息。
其中，所述步骤S1中的测量中心光轴为所述投影屏出发到所述测试元 件的测量光线；在上述处理器中建立光路从CCD探测器5起依次经过成像 透镜4、显微物镜3、测试元件2、高亮投影屏1的理想光学显微偏折模型。
在所述理想光学偏折模型中，将所述CCD探测器5的小孔作为点光源， 以投影屏1作为像面，将所述测试元件的反射面设为理想面。
所述步骤S4还包括利用光线追踪法获取实际光斑坐标值和理想光斑坐 标值，根据所述实际光斑坐标值和所述理想光斑坐标值得到所述测试元件的 波前斜率；根据所述波前斜率进行分析，得到该测试元件的面形信息。
以下具体以实施例1的测量对本发明的显微表面测量装置及方法进行说 明：
本实施例中投影屏1采用亮度达到2000cd/m2的显示屏，显微物镜3采 用放大倍数为10×、工作距离为34mm的长工作距离显微物镜，CCD探测 器5采用分辨率为1328(H)×1048(V)、像素尺寸为3.63μm×3.63μm的CCD 探测器，整个测量装置用精度为5.0μm、分辨率为0.078μm三坐标仪对该 显微表面测量装置进行标定，对直径为50.02mm的圆形金属表面进行光学偏 折显微表面测量。
首先通过基座使金属表面相对上下移动或旋转，保证金属表面位于显微 物镜3的焦平面上，并保持金属表面的机械中心轴与投影屏的中心光轴成 15°夹角，再对投影屏1相对左右移动使得金属表面反射投影屏1出射的光 能在CCD探测器5上呈现清晰完整的像。用上述三坐标仪对整个显微表面 测量装置进行标定获取结构参数S＝{(xi,yi,zi),(αi,βi,γi)}，其中i表示元件的标 号数，i＝1,2,3,4,5。(xi,yi,zi)表示标号为i的元件的三维空间位置坐标，(αi,βi,γi) 表示标号为i的元件分别相对于x轴、y轴和z轴的倾角。
根据参数S在处理器中建立理想光学偏折模型，并在模型中将测试元件 2反射面置为理想面，根据光线追迹法可获得理想光斑坐标值；使用上述处 理器通过预存程序配置参数使投影屏1显示调制产生正弦条纹，该经测试元 件2表面反射进入显微物镜3后变为会聚光束，再经过成像透镜4后，由CCD 探测器5接收，呈现为变形条纹光信号，CCD探测器5接收到的变形条纹光 信号如图2和图3所示，根据CCD探测器5采集到的变形条纹光信号求解出对应的相位分布，再进行积分计算求得实际光斑坐标值。根据上述实际测 量数据得出的实际光斑坐标值与理想光学偏折模型光线追迹结果的理想光斑 值差异进行分析，可得出面形误差的波前斜率分布，最终对波前斜率积分可 得到金属表面的面形信息如图4所示，从而完成对测试元件2的高精度测量。
以下为实施例2，以对该装置中投影屏以特定角度入射作出说明：该角 度可以是投影屏1的中心光轴与测试元件2的机械中心轴的夹角，也可以是 测试元件2的机械中心轴与显微物镜3的中心光轴的夹角，两者角度相同， 下面以光学角度α为指代该夹角；
如图5所示，以一峰谷(PV)为0.1059μm、均方根(RMS)为0.0303μm 的表面作为测试元件，获得图5中的(b)-(h)的具有5至85度的光学角 度α的测试结果，从图5可以看出，测量误差随光学角度α的增加而增加， 并且对于20度以内的光学角度α，均可实现良好的测量结果。
在权利要求书中，词语“包括”不排除其他单元或步骤；词语“一”或 “一个”并不排除多个。尽管在互不相同的从属权利要求中分别记载了某些 特定技术特征，但这并不意味着这些特定技术特征不能被组合利用。本发明 的各个方面可单独、组合或者以未在前述实施例中具体讨论的各种安排来使 用，从而并不将其应用限于前文所描述或附图中所示的组件的细节和排列。 例如，可使用任何方式将一个实施例中描述的多个方面与其他实施例中描述 的多个方面组合。多个模块或单元中所记载的步骤、功能或特征，可以由一 个模块或一个单元执行或满足。本文所公开的方法的步骤不限于以任何特定 的顺序执行，以其他的顺序执行部分或者全部的步骤时可能的。权利要求中 的任何附图标记不应被解释为对权利要求范围的限制。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普 通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和 精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。
Claims (10)
1.一种显微表面测量装置，其特征在于，所述显微表面测量装置包括投影屏、显微物镜、成像透镜、CCD探测器和处理器，以所述投影屏、显微物镜、成像透镜和CCD探测器构建离轴光学系统，其中，所述处理器连接所述投影屏和所述CCD探测器，所述处理器根据预存设置使所述投影屏产生一正弦条纹光信号，该正弦条纹光信号以一特定角度投射至测试元件上，经过所述测试元件的表面反射至所述显微物镜形成一汇聚光束，该汇聚光束经过所述成像透镜，在所述CCD探测器中呈现一变形条纹光信号，所述处理器对所述变形条纹光信号进行分析处理，以获取所述测试元件的面形信息；
其中，所述特定角度为测试元件的机械中心轴与所述投影屏的中心光轴的夹角，所述夹角设置为0°至20°。
2.根据权利要求1所述的显微表面测量装置，其特征在于，所述投影屏置于所述测试元件侧面，所述显微物镜、成像透镜和CCD探测器依次置于所述测试元件上方。
3.根据权利要求1所述的显微表面测量装置，其特征在于，所述显微表面测量装置还包括基座，所述基座用于放置所述测试元件，使所述测试元件可以相对于所述显微物镜上下移动或旋转。
4.根据权利要求1所述的显微表面测量装置，其特征在于，所述测试元件置于所述显微物镜的焦平面上。
5.根据权利要求1所述的显微表面测量装置，其特征在于，所述测试元件的机械中心轴与所述投影屏的中心光轴的夹角设置为15°。
6.根据权利要求1所述的显微表面测量装置，其特征在于，所述显微物镜和所述成像透镜组成的光学系统的景深大于所述测试元件到所述投影屏的距离，以获取清晰的所述变形条纹光信号。
7.根据权利要求1所述的显微表面测量装置，其特征在于，所述投影屏的亮度不小于2000cd/m2。
8.一种如权利要求1～7所述的显微表面测量装置的测量方法，其特征在于，包括步骤如下：
S1、对该显微表面测量装置的结构位置参数进行标定，选定测量中心光轴与所述测试元件的夹角角度，构建理想光学显微偏折模型，获取在所述测试元件上的理想光斑分布；
S2、计算采集到的所述变形条纹光信号的相位分布；
S3、根据所述相位分布，获取所述测试元件的实际光斑分布；
S4、将所述实际光斑分布与所述理想光斑分布比较，得到所述测试元件的面形信息。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S1中的测量中心光轴为所述投影屏出发到所述测试元件的测量光线；
在所述理想光学偏折模型中，将所述CCD探测器的小孔作为点光源，将所述测试元件的投射面设为理想面。
10.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S4还包括获取实际光斑坐标值和理想光斑坐标值，根据所述实际光斑坐标值和所述理想光斑坐标值得到所述测试元件的波前斜率；根据所述波前斜率进行分析，得到该测试元件的面形信息。
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