一种适用于大行程高精度白光干涉仪的扫描系统的制作方法

本发明属于三维形貌检测技术领域，具体涉及一种适用于大行程高精度白光干涉仪的扫描系统，应用该系统可以快速的实现物体三维形貌的检测，提高了检测的精度、范围和效率。

背景技术：

随着微纳器件的快速发展，对微纳结构的快速精准检测提出了更高的要求。白光干涉检测因其具有测量范围大、精度高、非接触、成本低、测量条件宽松等优点，特别是针对具有阶梯、沟槽等不连续表面的MEMS器件的表面测量，是一种很好的三维表面形貌测量方法。随着微纳器件的形貌从简单渐渐变得复杂化，对测量的分辨率提出了更高的要求。白光干涉仪的Z向运动的精度直接决定了被检测物体的纵向分辨率。

目前主流的白光干涉检测系统中Z向运动平台是采用PZT驱动。将被检测物体放在PZT运动平台上，通过PZT控制板卡控制被检测物体的Z向扫描运动。虽然PZT具有很高的精度，但因其行程小、速度慢，并且价格高贵，使其应用局限在很小的范围。

技术实现要素：

基于上述PZT运动平台的不足，本发明设计了一款适用于大行程高精度的白光干涉检测仪的运动控制系统，以步进电机作为驱动，采用高精度的光栅尺作为位置反馈，并设计一款集数据采集、数据处理以及电机控制于一体的FPGA控制板卡，提高了白光干涉仪的检测范围、检测效率以及检测精度。

本发明采用的技术方案为：一种适用于大行程高精度白光干涉仪的扫描系统，包括光源、准直透镜组、分光棱镜、运动平台、反射镜、成像物镜、高速CCD、工作台、控制板卡和计算机；试样放置在工作台上，由光源经准直透镜组成为平行光束，通过分光棱镜后被分成两束互相垂直的光束，其中一束光直接照射到试样上，之后被反射回来，被分光棱镜反射到成像物镜上，另一束光被风光棱镜反射，照射到反射镜上，之后反射的光束透过分光棱镜，照射到成像物镜上，两束照射到成像物镜上的光发生干涉，产生干涉图样，通过成像物镜将干涉图像成到高速CCD的焦面；高速CCD通过PCI口将图像实时传输到计算机上显示；计算机通过串口发送命令到控制板卡上控制运动平台沿Z向做扫描运动，当运动平台运动到每一个间隔位置时，将触发控制板卡发出CCD图像采集信号，采集当前位置的干涉图样；将采集的干涉图样存储到计算机中以待后续处理。

更进一步的，反射镜被固定在运动平台上，通过运动平台带动反射镜做扫描运动。

更进一步的，运动平台采用高性能的步进电机和驱动器，连接高精度丝杠，产生扫描运动，用步进电机代替常用的压电驱动器，提高了系统扫描的行程，并且可以实现快速的扫描运动，实现高效的三维形貌检测。

更进一步的，控制板卡包含中央处理器模块，JTAG配置模块，时钟模块，存储模块，电源模块，复位模块，位置反馈模块，CCD图像采集模块，限位开关模块，电机驱动模块，第一串口，第二串口以及计算机，JTAG配置模块，时钟模块，存储模块，电源模块，复位模块，位置反馈模块，CCD图像采集模块，限位开关模块，电机驱动模块，第一串口，第二串口均与中央处理器模块相连，中央处理器模块通过第一串口，第二串口与计算机相连。

更进一步的，所述的中央处理器模块是采用Xilinx公司的FPGA实现的，利用FPGA的高速并行处理能力以及灵活的可编程能力，可以快速的提高系统的实时性，同时才用高精度的光栅尺作为扫描运动的位置反馈，极大的提高了系统的控制精度。

更进一步的，扫描系统在做扫描运动过程中，采用低速和高速相结合的速度规划，提高了系统采集图像的清晰度，增强了系统的稳定性和工作效率。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明能够实现高精度高效率大行程的三维形貌检测。

(2)、本发明相比于传统的白光干涉仪成本更低。

附图说明

图1为本发明一种适用于大行程高精度白光干涉仪的扫描系统结构原理图。

图2为本发明采用的控制卡模块框图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图做进一步的详细描述。

本发明一种适用于大行程高精度白光干涉仪的扫描系统，包括光源1、准直透镜组2、分光棱镜3、运动平台5、反射镜6、成像物镜7、高速CCD 8、工作台9、控制板卡10和计算机11；试样4放置在工作台9上，由光源1经准直透镜组2成为平行光束，通过分光棱镜3后被分成两束互相垂直的光束，其中一束光直接照射到试样4上，反射光被分光棱镜反射到成像物镜7上，另一束光被分光棱镜反射，照射到反射镜6上，反射光束透过分光棱镜，照射到成像物镜7上，两束反射光发生干涉，产生干涉图样，通过成像物镜7将干涉图像成到高速CCD 8的焦面；高速CCD 8通过PCI口将图像实时传输到计算机11上显示；计算机11通过串口发送命令到控制板卡10上控制运动平台5沿Z向做扫描运动，当运动平台5运动到每一个间隔位置时，将触发控制板卡10发出CCD图像采集信号，采集当前位置的干涉图样；将采集的干涉图样存储到计算机中以待后续处理。反射镜6被固定在运动平台5上，通过运动平台5带动反射镜6做扫描运动。运动平台5采用高性能的步进电机和驱动器，连接高精度丝杠，产生扫描运动，用步进电机代替常用的压电驱动器，提高了系统扫描的行程，并且可以实现快速的扫描运动，实现高效的三维形貌检测。控制板卡10包含中央处理器模块2.1，JTAG配置模块2.2，时钟模块2.3，存储模块2.4，电源模块2.5，复位模块2.6，位置反馈模块2.7，CCD图像采集模块2.8，限位开关模块2.9，电机驱动模块2.10，第一串口2.11，第二串口2.12以及计算机2.13，如图2所示，JTAG配置模块2.2，时钟模块2.3，存储模块2.4，电源模块2.5，复位模块2.6，位置反馈模块2.7，CCD图像采集模块2.8，限位开关模块2.9，电机驱动模块2.10，第一串口2.11，第二串口2.12均与中央处理器模块2.1相连，中央处理器模块2.1通过第一串口2.11，第二串口2.12与计算机2.13相连。所述的中央处理器模块2.1是采用Xilinx公司的FPGA实现的，利用FPGA的高速并行处理能力以及灵活的可编程能力，可以快速的提高系统的实时性，同时才用高精度的光栅尺作为扫描运动的位置反馈，极大的提高了系统的控制精度。扫描系统在做扫描运动过程中，采用低速和高速相结合的速度规划，提高了系统采集图像的清晰度，增强了系统的稳定性和工作效率。

本发明一种适用于大行程高精度白光干涉仪的扫描系统，具体工作方式如下：

步骤一：由光源(1)经准直透镜组2成为平行光束，通过分光棱镜3后被分成两束互相垂直的光束。其中一束光直接照射到试样4上，反射光被分光棱镜反射到成像物镜7上，另一束光被分光棱镜反射，照射到反射镜6上，反射光束透过分光棱镜，照射到成像物镜7上，两束反射光发生干涉，产生干涉图样，通过成像物镜7将干涉图像成到高速CCD 8的焦面；高速CCD 8通过PCI口将图像实时传输到计算机11上显示。

步骤二：计算机11通过串口发送命令到控制板卡10上控制运动平台5沿Z向做扫描运动。主要命令包括串口设置，电机运动速度设置，定位位置，扫描运动的起点、终点以及间隔设置等。基本设置完成之后，通过一次粗略的全行程扫描，找出出现干涉条纹附近的大致位置。通过设定扫描运动的起点、终点以及间隔,电机开始扫描，系统就按照设定开始扫描运动。当运动平台5运动到每一个间隔位置时，将触发控制板卡10发出CCD图像采集信号，采集当前位置的干涉图样。

步骤三：将采集的干涉图样存储到计算机中，通过白光干涉图像恢复算法，可以实现被检测物体高精度的三维形貌恢复。

总体上，本发明所述的一种适用于大行程高精度白光干涉仪的扫描系统，具有大范围速度可调性，可以极大的提高检测的效率。同时采用了高精度步进电机作为驱动器以及高精度的光栅作为位置反馈，可以实现大行程的扫描，对于具有深槽的微纳器件很好的效果。同时采用FPGA作为系统的控制板卡，利用FPGA的高速并行性，使控制系统具有很好的实时性。以上优点都极大的提高了白光干涉仪的性能。并在实际检测中得到验证。本发明未详细阐述的技术和原理属于本发明领域人员所公知的技术。只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化都是显而易见的，一切利用本发明构想的发明创造均在保护之列。