专利名称：白光干涉测量样品表面形状精细分布的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型内容属于光学测量仪器技术领域，涉及一种光学非接 触测量装置，特别是一种利用白光千涉原理测量样品表面形状精细分 布的测量装置。
背景技术：
近年来，随着精密制造技术的进步与H利用光干涉方法及其 装置检测物体表面形状特别是精密光学平面物体表面形状的技术已 得到日益广泛的应用。目前本领域已为使用者公知的光千涉测量仪主 要有单波干涉仪和多波干涉仪两种类型，但它们在用于对具有光学平
面的试验物体或样品表面形状分布进行非常高精度的测量时，相应还 存在有数据采样时间较长、仪器本身的抗干扰能力较差以及仪器的测 量精度和工作稳定性不高等问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于对现有技术存在的问題加以解决，进而提 供一种结构设计合理、操作使用方便、数据釆样时间短、仪器抗千扰 能力强、测量精度高和工作稳定性能好的白光干涉测量样品表面形状 精细分布的装置。
为实现上述发明目的而采用的技术解决方案是这样的所提供的 白光干涉测量样品表面形状精细分布的装置具有一个由白光光源、透 镜和半反半透分光镜组成的照明光源系统、 一个由CCD相机和透镜组 成的光学成像系统和一个由干涉显微物镜和样品放置台组成的垂直 扫描系统，半反半透分光镜以45°倾角设置在照明光源系统的光轴 方向上，将光源照明光束分为下行反射光和上行或平行透射光两束 光，光学成像系统的透镜和CCD相机同轴依次设置在其透射光的光轴 方向上，干涉显微物镜包括显微透镜、半反半透参考镜和分光镜，它 们依次同轴设置在半反半透分光M射光轴的下方，样品放置台设置 在干涉显微物镜的下方。控制结构上，该装置CCD相机的信号输出端
与 一 台配备了图像采集卡和相关图像采集软件的计算机的信号输入 端连接，干涉显微物镜设置在一个由计算机控制驱动做上下移动的闭 环压电陶瓷驱动器上，计算机的输出工作端可以通过闭环压电陶资驱 动器驱使干涉显微物镜做上下移动，使干涉显微物镜和试验样品之间 形成不同的测量间距。
工作中，由半反半透分光镜反射的光束分别投射到样品和干涉显 微物镜的参考镜表面，从这两个表面反射的两束光(参考光和物体光)
再次通过半反半透分光镜后合成一束光，并由成像系统在CCD相机感 光面形成两个叠加的像。由于两束光相互干涉，在CCD相机感光面会 观察到明暗相间的干涉条紋。实际测量时，通过计算机自动控制，垂 直扫描系统精密驱动干涉显微物镜从上往下移动，对样品表面进行扫 描，使两束光光程差的大小发生改变。CCD相机通过图像采集卡与计 算机连接，在扫描过程中的每一个抽样位置，CCD相机都拍摄一幅干 涉图像，并将拍摄的图像实时传送给计算机。计算机将这些千涉图像 依次整理，形成一系列干涉困像。
本实用新型所述测量装置所使用的光源为白光光源，包括连续分 布单色光。各个单色光自己相干，形成各自独立的千涉条紋，各个单 色光的干涉条紋在CCD相机感光面上线性叠加，形成白光干涉条紋。 白光干涉条紋的强度与参考光和物体光两束光的光程差密切相关，当 两束光的光程差相同时，各单色光干涉条紋具有相同的位相，最0 成的白光干涉条紋强度最大；随着干涉显微物镜与样品间距的变化， 两束光的光程差出现了差别，各单色光的位相也相应出现差别，导致 白光干涉条紋降低，直至最后消失，最终合成的白光干涉条紋信号具 有振幅受到调制信号的余弦函数的分布。振幅调制信号与光源的光谱 分布相关， 一般具有高斯函数或近似高斯函数分布。高斯函数分布也 可以称做是余弦函数的包罗线分布，它所出现的位置由样品的高度来 决定，所以根据高斯函数分布中心即包罗线分布中心就可以唯一确定 样品的高度。
在对测量数据的处理方面，本实用新型所述测量装置直接采集白 光干涉条紋包罗线信息。由于包罗线的周期远远大于干涉条紋自身的
周期，根据Nyquist采样原理，可使用较大的采样间隔，这样不仅大 幅度降低了数据采集时间，而且有效抑制了高频噪声混入有用信号， 提高了采样数据的信噪比，增强了装置本身的抗干扰能力。在采用大
间隔采样的同时，本实用新型设计者还根据干涉条紋的周期性特点， 引入了一种非等间隔采样算法，该采样算法经实验^iiE，在很大程度 上提高了采样数据的信噪比。此外，在信号处理阶段，本实用新型不 仅利用千涉条紋的强弱信息，还利用了干涉条紋的位相信息，使装置 的测量精度以及工作稳定性都得到了极大的改善。
附图为本实用新型一个具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本实用新型的内容做进一步说明，但 本实用新型的实际制作结构并不仅限于下述的实施例。
参见附图，本实用新型所述的白光干涉测量样品表面形状精细分 布的装置由白光光源4、透镜3、半反半透分光镜ll、 CCD相机1、 透镜2、干涉显微物镜I 、样品放置台9和闭环压电陶瓷驱动器10 等组成。白光光源4、透镜3和半反半透分光镜11构成装置的照明 光源系统，由其发出的照明光束经按45°倾角设置的半反半透分光 镜11后分为下行反射光和上行透射光两束光。CCD相机1和透镜2 构成装置的光学成像系统，设置在半反半透分光镜11透射光的光轴 方向上，其中CCD相机1的信号输出端与计算机12的信号输入端连 接。干涉显微物镜I的结构如附图中的虚线方框所示，由常规显微透 镜5、半反半透参考镜6以及分光镜7组成，干涉显微物镜I和用于 放置样品8的样品放置台9依次同轴设置在半反半透分光镜11反射 光轴的下方，构成装置的垂直扫描系统。闭环压电陶瓷驱动器10受 控于计算机工作，其作用是带动干涉显微物镜I沿上下移动，对样品 8表面进行扫描。
权利要求1、一种白光干涉测量样品表面形状精细分布的装置，其特征在于具有一个由白光光源(4)、透镜(3)和半反半透分光镜(11)组成的照明光源系统、一个由CCD相机(1)和透镜(2)组成的光学成像系统和一个由干涉显微物镜(I)和样品放置台(9)组成的垂直扫描系统，半反半透分光镜(11)以45°倾角设置在照明光源系统的光轴方向上，将光源照明光束分为下行反射光和上行或平行透射光两束光，光学成像系统的透镜(2)和CCD相机(1)同轴依次设置在其透射光的光轴方向上，干涉显微物镜(I)包括显微透镜(5)、半反半透参考镜(6)和分光镜(7)，它们依次同轴设置在半反半透分光镜(11)反射光轴的下方，样品放置台(9)设置在干涉显微物镜的下方。
2、 根据权利要求1所述的白光干涉测量样品表面形状精细分布 的装置，其特征在于CCD相机(1)的信号输出端与一台配备了图像采 集卡和相关图像采集软件的计算机(12)的信号输入端连接，干涉显微 物镜(I )设置在一个由计算机(12)控制驱动做上下移动的闭环压电 陶瓷驱动器(10)上。
3、 根据权利要求1所述的白光干涉测量样品表面形状精细分布 的装置，其特征在于样品放置台(9)为一个由计算机(12)控制驱动并 可在二维平面内任意自动移动的电动式放置台。
专利摘要本实用新型涉及一种白光干涉测量样品表面形状精细分布的装置，由白光光源、半反半透分光镜、CCD相机、干涉显微物镜和样品放置台等组成，分光镜将光源照明光束分为反射和透射两束光，CCD相机设置在其透射光轴方向上，干涉显微物镜由显微透镜、半反半透参考镜和分光镜组成，它们和样品放置台依次同轴设置在半反半透分光镜反射光轴方向上，CCD相机的信号输出端与计算机的信号输入端连接，计算机的输出工作端可驱动干涉显微物镜做上下移动。工作中，分光镜反射光束分别投射到样品和参考镜表面，二者反射的两束光再次通过半反半透分光镜后合成一束光，并在CCD相机感光面形成干涉条纹，根据白光干涉条纹明暗度变化信息，可以解析出被测物体表面的相对高度。
文档编号G01B9/02GK201050978SQ20072003204
公开日2008年4月23日 申请日期2007年6月15日 优先权日2007年6月15日
发明者张民芳, 武 成 申请人:西安普瑞光学仪器有限公司