一种大量程三维表面轮廓测量装置的制作方法

本实用新型涉及表面轮廓测量技术领域，具体是一种可工作在移相干涉和白光干涉垂直扫描两种工作模式的大量程表面轮廓测量装置。

背景技术：

近年来，随着精细加工技术的不断进步，尤其是在半导体纳米制程工艺、微机电系统、纳米复合材料、超精密加工等领域，迫切需要零件三维表面微观轮廓测量的相关技术和测量仪器。而且三维表面微观轮廓由于能更全面、更真实地反映零件表面的特征及衡量表面的质量而越来越受到重视，因此三维表面微观轮廓的测量就越显重要。

干涉显微技术是光学干涉技术和显微技术相结合的产物，通过在干涉系统中增加显微放大系统，提高干涉图的横向分辨率，使之能够完成微纳结构的三维表面轮廓测量。移相干涉技术和在此基础上发展起来的白光干涉垂直扫描技术是两种常见的干涉显微测量技术。移相干涉技术可以亚纳米级的分辨率测量光滑和连续的表面高度，但其存在的问题是表面连续高度差不能超过光源波长的1/4。白光干涉垂直扫描技术克服了移相干涉技术表面高度测量范围的限制，可用于测量光滑表面和适度粗糙表面的高度，尤其是表面台阶高度>150nm的轮廓和形貌结构。压电陶瓷PZT是驱动垂直扫描的动力系统，其特点是精度高，但是扫描行程短，通常在200um之内。这就大大限制了三维表面轮廓测量的范围。

对于精细的物体表面轮廓测量，干涉显微技术具有快速、非接触等优点。公开号为CN101050949的中国专利文献公开了一种利用移相显微干涉术测量大视场物体微观表面三维形貌。但这种测量装置的测量模式单一，且存在体积较大，抗干扰能力较差等问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种新的大量程三维表面轮廓测量装置，具有结构简单紧凑、测量精度高等特点。

位实现上述目的，本实用新型采用的技术解决方案为：

一种大量程三维表面轮廓测量装置，包括光源、同轴照明观察装置、干涉物镜、面阵CCD相机、PZT、电机驱动线性位移平台、承载被测工件的载物台、单色滤光片；同轴照明观察装置包含沿照明光轴方向依次设置的集光镜、反射镜和聚光镜，实现对被测工件的照明；同时同轴照明观察装置内藏分光棱镜和焦距成像镜头；PZT和与干涉物镜依次同轴设置在分光棱镜的反射光轴方向上；干涉物镜与成像镜头设置在分光棱镜的两侧，构成干涉成像光路；面阵CCD相机设置在同轴照明观察装置的上方；干涉成像光路与照明光路通过分光棱镜衔接于一体，构成同轴照明观察装置；载物台设置在干涉物镜的下方；所述电机驱动线性位移平台安装于同轴照明观察装置的外侧或者安装在载物台的下方；当电机驱动线性位移平台安装于同轴照明观察装置的外侧时，PZT驱动干涉物镜或者电机驱动线性位移平台同轴照明观察装置光轴纵向移动；当电机驱动线性位移平台安装在载物台的下方时，电机驱动线性位移平台沿光轴驱动样品载物台带动被测工件移动进行扫描以改变干涉物镜与被测工件之间的光程。

有益效果：本实用新型与现有技术相比，其显著优点：电机驱动线性位移平台可以将白光干涉垂直扫描技术的测量范围从PZT的～100um微米扩展至>1000um,其测量精度可以与PZT垂直扫描技术相当。本技术方案中使用电机驱动线性位移平台在保证白光干涉垂直扫描测量精度的同时，大大扩展了表面台阶高度差量程测量范围，在先进制造业中的精密机械零部件，集成电路三维封装技术，新型显示技术等产业测量应用中有广阔的前景。

本实用新型的其他有益效果还包括：照明光路中加入反射镜用于折转光路，减小了体积，简化了结构，使得装置结构紧凑，尤其在横向上的尺寸大大减小，从而减轻了振动的影响，从而能够显著提高测量精度。

进一步的，本实用新型表面轮廓测量装置可工作在宽带光源(例如白光)垂直扫描和单色光移相干涉两种工作模式，即一台设备可提供两种测量方式。当为前者时，单色滤光片移出照明光路；当为后者时，单色滤光片移进照明光路。

附图说明

图1是本实用新型实施例一中大量程三维表面轮廓测量装置的结构示意图。

图2是本实用新型实施例二中大量程三维表面轮廓测量装置的结构示意图。

图3是Mirau型干涉物镜的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

如图1所示为本装置实施例一的结构示意图，包括光源(1)、同轴照明观察装置(22)、Mirau型干涉物镜(4)、面阵CCD相机(6)、PZT(7)、承载被测工件(8)的载物台(9)、单色滤光片(11)、电机驱动线性位移平台(31)。同轴照明观察装置(22)使用同轴落射式柯勒照明结构(2)，包括沿照明光轴方向依次设置的集光镜(201)、反射镜(202)和聚光镜(203)，实现对被测工件(8)的照明；同时同轴照明观察装置(22)内藏分光棱镜(3)和焦距成像镜头(5)。照明光路出射光朝向分光棱镜(3)，分光棱镜的反射光朝向Mirau干涉物镜(4)。PZT(7)和与干涉物镜(4)依次同轴设置在分光棱镜(3)的反射光轴方向上。Mirau型干涉物镜(4)与成像镜头(5)设置在分光棱镜(3)的两侧，构成干涉成像光路。面阵CCD相机(6)设置在同轴照明观察装置(22)的上方。干涉成像光路与照明光路通过分光棱镜(3)衔接于一体，构成同轴照明观察装置(22)。被测工件(8)安放在载物台(9)上。载物台(9)设置在Mirau型干涉物镜(4)的下方。

如图1所示，光源(1)发出的光线依次途经集光镜(201)、反射镜(202)和聚光镜(203)后，形成准直均匀光束。反射镜(202)与光轴成45°角放置，将照明光路折转90°，使得照明光路出射光朝向分光棱镜(3)。分光棱镜(3)的分束面与干涉成像光路的光轴成45°角设置，使照明光路出射光经分光棱镜(3)反射的光朝向Mirau型干涉物镜(4)。Mirau型干涉物镜(4)使由分光棱镜(3)反射的光束在光轴方向上汇聚而照射于被测工件(8)，并且使从被测工件(8)反射得到的测量光束与从干涉物镜内部得到的参考光束相干涉。干涉光从所述干涉物镜(4)返回后，依次途经分光棱镜(3)和成像镜头(5)后，聚焦在CCD相机(6)靶面上，形成干涉条纹。电机驱动线性位移平台(31)安装于同轴照明观察装置的外侧；PZT(7)驱动干涉物镜(4)沿光轴纵向移动或者电机驱动线性位移平台(31)驱动同轴照明观察装置沿光轴纵向移动；

如图3所示为Mirau型干涉物镜的结构示意图，包括显微物镜(401)、参考板(402)、分光板(403)和参考板上的反射区域(404)。来自光学系统前端的光束经显微物镜(401)后透过参考板(402)，然后经分光板(403)上半反半透膜分成两束，一束被分光板(403)反射到参考板(402)上的反射区域(404)，由反射区域(404)反射后回到分光板(403)再次被反射，最后透过参考板(402)回到物镜(401)，形成参考光。另一束透过分光板(403)投射到被测工件，经被测工件反射后经分光板(403)和参考板(402)回到显微物镜(401)上，形成测试光。两束光在物镜(401)视场中会合发生干涉。

该测量装置可工作在垂直扫描和单色光移相干涉两种模式。当为前者时，单色滤光片移出照明光路，宽带光源作为照明光源。当为后者时，通过安装单色滤光片实现移相干涉模式单色光源的切换。

当装置工作在单色光移相干涉模式时，Mirau干涉物镜与PZT精密移动机构沿光轴方向用螺纹固联，当PZT沿光轴精密移动时，带动Mirau干涉物镜上下运动，改变Mirau干涉物镜与载物台上被测工件之间的光程，从而改变相位实现移相。移相干涉算法借助于适当的程序将表面相位图转换为样品高度分布图。

实施例二

请再参阅图2所示，为本装置实施例一的结构示意图。

实施例二中包括光源(1)、同轴照明观察装置(22)、Mirau型干涉物镜(4)、面阵CCD相机(6)、PZT(7)、承载被测工件(8)的载物台(9)、单色滤光片(11)、电机驱动线性位移平台(31)。同轴照明观察装置(22)使用同轴落射式柯勒照明结构(2)，包括沿照明光轴方向依次设置的集光镜(201)、反射镜(202)和聚光镜(203)，实现对被测工件(8)的照明；同时同轴照明观察装置(22)内藏分光棱镜(3)和焦距成像镜头(5)。照明光路出射光朝向分光棱镜(3)，分光棱镜的反射光朝向Mirau干涉物镜(4)。PZT(7)和与干涉物镜(4)依次同轴设置在分光棱镜(3)的反射光轴方向上。Mirau型干涉物镜(4)与成像镜头(5)设置在分光棱镜(3)的两侧，构成干涉成像光路。面阵CCD相机(6)设置在同轴照明观察装置(22)的上方。干涉成像光路与照明光路通过分光棱镜(3)衔接于一体，构成同轴照明观察装置(22)。被测工件(8)安放在载物台(9)上。载物台(9)设置在Mirau型干涉物镜(4)的下方。

如图1所示，光源(1)发出的光线依次途经集光镜(201)、反射镜(202)和聚光镜(203)后，形成准直均匀光束。反射镜(202)与光轴成45°角放置，将照明光路折转90°，使得照明光路出射光朝向分光棱镜(3)。分光棱镜(3)的分束面与干涉成像光路的光轴成45°角设置，使照明光路出射光经分光棱镜(3)反射的光朝向Mirau型干涉物镜(4)。Mirau型干涉物镜(4)使由分光棱镜(3)反射的光束在光轴方向上汇聚而照射于被测工件(8)，并且使从被测工件(8)反射得到的测量光束与从干涉物镜内部得到的参考光束相干涉。干涉光从所述干涉物镜(4)返回后，依次途经分光棱镜(3)和成像镜头(5)后，聚焦在CCD相机(6)靶面上，形成干涉条纹。电机驱动线性位移平台(31)安装在载物台(9)的下方，PZT(7)驱动干涉物镜(4)沿光轴纵向移动或者电机驱动线性位移平台(31)沿光轴驱动样品载物台(9)带动被测工件移动进行扫描以改变干涉物镜(4)与被测工件(8)之间的光程。CCD相机(6)将拍摄的图像实时传送给计算机(图中未给出)。计算机将这些干涉图像依次整理，形成一系列干涉图像，最后根据相位或光强度与高度的关系来重建三维表面微观轮廓图像。

当装置工作在白光干涉垂直扫描模式时，样品表面各点处于最佳焦点位置时可得到最大干涉条纹对比度。PZT或者电机驱动线性位移平台沿光轴驱动样品载物台带动被测工件进行扫描，表面上的每一个点会通过对焦点，利用白光干涉的零级条纹来指示零光程差的位置，通过检测干涉条纹包络峰值从而获得各点的相对高度进而重构出三维表面轮廓图。