专利名称：一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量方法
技术领域：
本发明涉及一种高精度光纤微触觉三维形貌测量方法，主要目的是用于测量具有 高深宽比的微观结构，如微孔(包括盲孔)三维尺寸测量和MEMS器件三维尺寸测量等。
背景技术：
随着精密/超精密加工技术的迅速发展以及MEMS等微小器件的广泛使用，器件特 征尺寸和与之关联的公差不断减小，而其形状结构的复杂程度却不断增加，这就对微纳尺 度的几何量检测提出了更高的需求。例如，在半导体工业中，检测的不确定度要求已经达 到亚微米或者纳米水平，检测对象的范围也扩大到具有特殊或者复杂结构的微器件和微结 构。对于诸如高深宽比微结构、精加工表面形貌等微几何量测量任务来说，测头的设计需要 综合考虑温度、测量力和衍射效应等因素的影响。如何实现具有高深宽比的微观结构的高精度三维测量成为精密测量领域的一个 重点研究方向，其中使用精密坐标测量系统与高精度传感器相结合的方法的应用非常普 遍。国内外研究人员开发了多种不同类型的微型传感器或测头。光学非接触式测头具有非 接触、轴向测量分辨率和精度较高的优点，但是其横向测量的性能参数存在不同程度的缺 陷。不同测量原理的接触式测头，往往都存在测量范围小、有测量力等问题。因此，开发一 种具有较低测量成本的具有高分辨率的三维测头成为当前超精密测量领域的研究焦点。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于光纤传感技术的多光源调制三维微触觉光纤传 感方法，它属于光学接触式测头，可用于微观三维尺寸精密测量。由于使用光纤探头，能显 著提高诸如微孔、高深宽比微结构等特殊形体三维几何参数测量的精度和分辨率，测量力 小。为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量的测量装置，其特征是将玻璃 或聚苯乙烯材质的探球与两光纤纤尾固结和/或烧结在一起，组成微触觉探测头，在两光 纤中通入两种以上不同激光，驱动两光纤使探球从不同方向接近或接触被测物时，从探球 中反射回两光纤的不同种激光的性态发生变化，用光分离器将反射回各光纤的混合反射光 中的不同种激光分离提取，传送到光电检测器件执行光电转换，光电转换获得的电讯号由 后续信号处理电路处理求出光纤中不同光信号的变化量，解算求出被测物体的空间坐标位 置，精确测量出微观结构三维形貌的高、深、宽比值。在上述高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量的测量装置中，其特征是其 中使用的不同种激光光源是不同波长或偏振态的激光，波长范围200nm 2000nm，激光源 的输出功率范围是ImW 100mW。在上述高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量的测量装置中，其特征是两 光纤中通入两种不同波长的激光。
在上述高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量的测量装置中，具特征是其中反射回光纤的激光性态的变化是光强和相位的变化。在上述高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量的测量装置中，其特征是使 用波分复用器WDM分离反射回光纤的激光。在上述高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量的测量装置中，其特征是其 中探球与光纤的联结方式是，探球与两光纤纤尾使用折射率与光纤玻璃匹配的紫外光固化 光纤胶粘剂进行固结。在上述高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量的测量装置中，其特征是其 中被测量对象可以是，直径0. 2mm 20mm、高径比1 50的微孔或其它高深宽比的微结构。在上述高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量的测量装置中，其特征是其 中探球与光纤的联结方式是，探球与光纤在纤尾处进行烧结结合。在上述高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量的测量装置中，其特征是其 中探球与光纤的联结方式是，直接在光纤纤尾烧结获得探球。一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量方法，其特征是将玻璃或聚苯 乙烯材质的探球与两光纤尾纤固结和/或烧结在一起，在两光纤中通入两种以上不同激 光，当探球从不同方向接近或接触被测物时，从探球中反射回两光纤的不同种激光的性态 发生变化，使用光分离技术将反射回各光纤的不同种激光的混合光进行分离，然后使用光 电检测器件和后续信号处理电路检测光纤中不同光信号的变化量，进而能够解算出被测物 体的空间坐标位置，实现精确测量具有高深宽比的微观结构三维形貌的目的。所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量方法，其特征是，在两光 纤中通入两种不同波长的激光。所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量方法，其特征是，其中不 同种激光光源是不同波长或偏振态的激光，波长范围200nm 2000nm，激光源的输出功率 范围是ImW lOOmW。所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量方法，其特征是，其中反 射回光纤的激光性态的变化是光强和相位的变化。所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量方法，其特征是使用波 分复用器WDM分离反射回光纤的激光。所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量方法，其特征是，其中探 球与光纤的联结方式是，探球与光纤纤尾在光纤纤尾处进行烧结结合。所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量方法，其特征是，其中探 球与光纤的联结方式是，探球与光纤纤尾使用折射率与光纤玻璃匹配的紫外光固化光纤胶 粘剂进行固结。所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量方法，其特征是，其中探 球与光纤的构成方式是，在两光纤纤尾处进行烧结处理直接由光纤纤尾获得探球。所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量方法，其特征是，其中被 测量对象可以是，直径0. 2mm 20mm、高径比1 50的微孔或其它高深宽比的微结构。综上所述，本发明提出的测量方法进而能够解算出被测物体的空间坐标位置，实 现精确测量具有高深宽比的微观结构三维形貌的目的。
图1是多光源调制三维微触觉光纤传感器工作基本原理图，(a)图中两光纤的一 端分别入射两种不同的激光，入射光h和12分别标记为虚线和实线；(a)图中光纤与玻璃 球连接处使用紫外胶(图中标记1)。(b)图表示在非测量状态下，两束光进入探球中发生 反射和折射，其中有部分光反射后再次耦合进入两光纤中。在光纤1和光纤2中的反射光 是两种光的混合光，其中，入射光^在光纤1中的反射光记为In’，入射光^在光纤2中的 反射光记为121’ ；入射光12光纤1中的反射光记为112’，入射光h在光纤2中的反射光记 为122’。(c)图给出两光纤与玻璃球的位置关系，其中标记2代表玻璃球，标记3和4分别 代表两光纤。(d)图和(e)图分别表示x、y方向上进行微结构几何量的测量时，探球逐渐 靠近并接触被测物时接收光的变化情况。当感测到微小接触力时，探球的中心位置发生微 量偏移，两光纤中接收到的反射光的性态将发生变化，如光强变化量可分别表示为Aln’， Al21 ’，Al12’，Al22’。使用光电检测器件和后续信号处理电路能够检测到这种变化量，因 此，通过分析激光性态的变化信息就能得出探球中心位置在x、y方向上的偏移量。为了增 强反射光的信号强度，可以在探球外表面增镀反射膜。(f)图表示z方向上进行微结构几何 量的测量时，探球逐渐靠近并接触被测物时接收光的变化情况。当探球接近被测物时，由于 透射光在被测物表面发生反射现象，其中一部分会反射回探球并最终耦合进入光纤中。随 着z向间隙的逐渐缩小，光纤接收的反射光性态也将发生变化。据此，使用光电检测器件可 以实现z向微尺寸的高精度测量。但为了实现z方向的测量，需要留出探球的底部一个小 的范围不镀反射膜。图2是多光源调制三维微触觉光纤传感器结构框图。激光二极管LD1和LD2的激 光分别通过光隔离器和耦合器进入两根尾纤中。如前所述，两尾纤与探球固定在一起。对 于尾纤1而言，经探球反射回来的激光通过2 X 1耦合器后，其中一路被隔离器隔离，另一路 进入波分复用器并输出两不同波长的激光，然后使用两个光电二极管PD1和PD2检测反射 回的光信号。同理，对于尾纤1而言，经探球反射回来的激光通过2X1耦合器后，其中一路 被隔离器隔离，另一路进入波分复用器并输出两不同波长的激光，然后使用两个光电二极 管PD3和PD4检测反射回光信号。所述的双光源是两种不同波长激光。所述的光信号是光 强和相位信息。图3是横向加载测量实验原理图。其中标记1代表夹具，2代表光纤保护层，3代 表双光纤，4代表玻璃球，5代表微位移平台。
具体实施例方式测量用导光光纤共有两根，使用玻璃或聚苯乙烯材质的小球，使用紫外光固化光 纤胶粘剂进行固结，选择光纤胶的透明度和折射系数，使光线在通过连接处时损耗最小。如 选取折射率1. 56的紫外胶。所述的激光光源发射装置是激光二极管，选取功率10mW同轴封装DFB尾纤式激光 二极管。选择两种不同光源，其中LD1发出的激光波长为1310nm，LD2发出的激光波长为 1550nm。选取10/125单模光纤。耦合器采用与使用激光波长和光纤类型相对应的耦合器， 1310/1550nm的2X1单模耦合器。对应的波分复用器WDM规格可以是1310/1550nm。可以采用不同的光电检测元件接收返回信号，选取同轴尾纤PIN探测器，其中相对应选取的PDl 和PD3的工作波长是1310nm，PD2和PD4的工作波长是1550nm。探球材料为玻璃或聚苯乙 烯材质，选取直径为300 μ m的玻璃探球。
测量直径1mm、深IOmm微孔的直径和圆柱度。也可测量尺寸相仿的不同于微孔的 其它微结构尺寸。首先，将研发的三维微触觉光纤传感器装配在纳米坐标测量机的测量臂 上，将待测样品固定在测量机工作台上。使用纳米测量机的定位功能将光纤传感器探头放 置在微孔中心区域附近，然后通过测量机实现χ、y方向的微进给，观察4个光电二极管探 测的光信号强度和相位变化，当探测到工件轮廓时，停止纳米测量机的位移，记录下测量位 置，通过坐标变换得到被测物体接触点的三维坐标。如此反复，在不同角度和不同高度的测 量多个点，通过数据处理可以得到被测微孔的直径和圆柱度信息。
权利要求
一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量的测量装置，其特征是将玻璃或聚苯乙烯材质的探球与两光纤纤尾固结和/或烧结在一起，组成微触觉探测头，在两光纤中通入两种以上不同激光，驱动两光纤使探球从不同方向接近或接触被测物时，从探球中反射回两光纤的不同种激光的性态发生变化，用光分离器将反射回各光纤的混合反射光中的不同种激光分离提取，传送到光电检测器件执行光电转换，光电转换获得的电讯号由后续信号处理电路处理求出光纤中不同光信号的变化量，解算求出被测物体的空间坐标位置，精确测量出微观结构三维形貌的高、深、宽比值。
2.根据权利要求1所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量的测量装 置，其特征是其中使用的不同种激光光源是不同波长或偏振态的激光，波长范围200nm 2000nm，激光源的输出功率范围是lmW 100mW。
3.根据权利要求1所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量的测量装 置，其特征是两光纤中通入两种不同波长的激光。
4.根据权利要求1所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量的测量装 置，其特征是其中反射回光纤的激光性态的变化是光强和相位的变化。
5.根据权利要求1所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量的测量装 置，其特征是使用波分复用器WDM分离反射回光纤的激光。
6.根据权利要求1所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量的测量装 置，其特征是其中探球与光纤的联结方式是，探球与两光纤纤尾使用折射率与光纤玻璃匹 配的紫外光固化光纤胶粘剂进行固结。
7.根据权利要求1所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量的测量装 置，其特征是其中被测量对象可以是，直径0. 2mm 20mm、高径比1 50的微孔或其它高 深宽比的微结构。
8.根据权利要求1所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量的测量装 置，其特征是其中探球与光纤的联结方式是，探球与光纤在纤尾处进行烧结结合。
9.根据权利要求1所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量的测量装 置，其特征是其中探球与光纤的联结方式是，直接在光纤纤尾烧结获得探球。
10.一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量方法，其特征是将玻璃或聚苯 乙烯材质的探球与两光纤尾纤固结和/或烧结在一起，在两光纤中通入两种以上不同激 光，当探球从不同方向接近或接触被测物时，从探球中反射回两光纤的不同种激光的性态 发生变化，使用光分离技术将反射回各光纤的不同种激光的混合光进行分离，然后使用光 电检测器件和后续信号处理电路检测光纤中不同光信号的变化量，进而能够解算出被测物 体的空间坐标位置，实现精确测量具有高深宽比的微观结构三维形貌的目的。
11.根据权利要求10所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量方法，其 特征是，在两光纤中通入两种不同波长的激光。
12.根据权利要求10所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量方法，其 特征是，其中不同种激光光源是不同波长或偏振态的激光，波长范围200nm 2000nm，激光 源的输出功率范围是lmW 100mW。
13.根据权利要求10所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量方法，其 特征是，其中反射回光纤的激光性态的变化是光强和相位的变化。
14.根据权利要求10所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量方法，其 特征是使用波分复用器WDM分离反射回光纤的激光。
15.根据权利要求10所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量方法，其 特征是，其中探球与光纤的联结方式是，探球与光纤纤尾在光纤纤尾处进行烧结结合。
16.根据权利要求10所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量方法，其 特征是，其中探球与光纤的联结方式是，探球与光纤纤尾使用折射率与光纤玻璃匹配的紫 外光固化光纤胶粘剂进行固结。
17.根据权利要求10所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量方法，其 特征是，其中探球与光纤的构成方式是，在两光纤纤尾处进行烧结处理直接由光纤纤尾获 得探球。
18.根据权利要求10所述的一种高精度多光源调制光纤微触觉三维形貌测量方法，其 特征是，其中被测量对象可以是，直径0. 2mm 20mm、高径比1 50的微孔或其它高深宽比 的微结构。
全文摘要
本发明涉及一种高精度光纤微触觉三维形貌测量方法，主要目的是用于测量具有高深宽比的微观结构，如微孔(包括盲孔)三维尺寸测量和MEMS器件三维尺寸测量等。将玻璃或聚苯乙烯材质的探球与两光纤纤尾固结或烧结在一起，组成微触觉探测头，在两光纤中通入两种以上不同激光，驱动两光纤使探球从不同方向接近或接触被测物时，从探球中反射回两光纤的不同种激光的性态发生变化，用光分离器将反射回各光纤的混合反射光中的不同种激光分离提取，传送到光电检测器件执行光电转换，光电转换获得的电讯号由后续信号处理电路处理求出光纤中不同光信号的变化量，解算求出被测物体的空间坐标位置，精确测量出微观结构三维形貌的高、深、宽比值。
文档编号G01B11/24GK101871771SQ201010210358
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月28日 优先权日2010年6月28日
发明者张国雄, 张宏伟, 李凯 申请人:天津大学