一种基于Linnik干涉物镜的模块化倍率变换轮廓测量装置

技术领域

本申请涉及高精度测量装置技术领域，特别是涉及一种基于Linnik干涉物镜的模块化倍率变换轮廓测量装置。

背景技术

目前，干涉光学轮廓仪多采用结构紧凑的Michelson、Mirau干涉物镜产品，其分光系统、参考镜在物镜内部，基于Michelson、Mirau干涉物镜产品的白光干涉光学轮廓仪各有特点，不能满足所有需求，原因在于，Michelson干涉物镜原理简单，分光系统位于物镜物方光路中，导致物镜有效工作距离变短，仅适合工作距离长的低倍率物镜，通常倍率小于10x，无法满足高精度测量需求被较少使用。而Mirau干涉物镜的分光系统和参考镜集成在物镜内部，为了实现零光程差，参考镜和被测样品表面对称于分光系统，因此Mirau干涉物镜工作距离只有普通物镜一半；高倍率Mirau干涉物镜的视场、数值孔径相比于普通物镜都更小，探测效率受到限制，更重要的原因在于，Mirau干涉物镜的参考镜不可更换，随着被测样品反射率差异增大，干涉信噪比下降，应用范围有限制。若需要更换参考镜，干涉物镜需要整体更换或定制，增加额外成本。且Mirau干涉物镜产品价格昂贵，核心器件采用标准产品，难以满足定制化的测量需求。

还有一种Linnik干涉物镜受到关注少，它的特点是需要2个匹配的物镜构成干涉光路，因此物镜选择多，相同性能的物镜成本远低于Michelson、Mirau干涉物镜，但它的缺点在于由于参考光路和测量光路分离且长，体积、负载更大，难以兼容于物镜转盘和标准显微物镜压电陶瓷。

目前，基于垂直扫描的白光干涉轮廓测量系统多数仍采用显微成像系统，利用物镜转盘实现物镜倍率切换。尽管方便，但必须采用显微物镜压电陶瓷以便于驱动干涉物镜垂直扫描，这样的压电陶瓷垂直负载有限，一般仅安装Michelson、Mirau干涉物镜。但高倍率下的视场、数值孔径偏小，工作距离短，且参考镜难以根据样品改变，使用范围受限制。另一方面，安装体积更大的Linnik干涉物镜的白光干涉轮廓测量系统难以兼容物镜转盘，存在不便于切换倍率的问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种基于Linnik干涉物镜的模块化倍率变换轮廓测量装置，包括光源模块、目镜镜筒模块、垂直扫描驱动及位移传感编码器、白光干涉精细垂直扫描驱动及位移传感编码器、水平倍率切换驱动及位移传感编码器以及至少三个倍率不同的干涉物镜模块；

其中，最高倍率的干涉物镜模块安装在所述白光干涉精细垂直扫描驱动及位移传感编码器上，其他倍率的干涉物镜模块通过转接件安装在所述水平倍率切换驱动及位移传感编码器上，所述白光干涉精细垂直扫描驱动及位移传感编码器安装在所述水平倍率切换驱动及位移传感编码器上，所述水平倍率切换驱动及位移传感编码器、所述光源模块、所述目镜镜筒模块均安装在所述垂直扫描驱动及位移传感编码器上；通过所述水平倍率切换驱动及位移传感编码器带动多个所述干涉物镜模块位移。

最高倍率的干涉物镜模块和其他倍率的干涉物镜模块的高度位置相同；通过所述水平倍率切换驱动及位移传感编码器带动所述干涉物镜模块水平位移。

所述白光干涉精细垂直扫描驱动及位移传感编码器通过压电陶瓷驱动实现所述干涉物镜模块垂直方向的白光干涉精细扫描，为纳米级精度；

所述水平倍率切换驱动及位移传感编码器通过伺服电机驱动实现所述干涉物镜模块在水平方向上的位移，为微米级精度；

所述垂直扫描驱动及位移传感编码器通过伺服电机驱动实现所述干涉物镜模块的垂直扫描，为亚微米级精度。

光源模块包括LED点光源、聚光透镜、滤光片、套筒一、反射镜镜架、平面反射镜、套筒二、耦合透镜；

所述LED点光源、所述聚光透镜、所述滤光片依序安装在所述套筒内，所述平面反射镜设置在所述反射镜镜架上，所述耦合透镜安装在所述套筒二内。

所述目镜镜筒模块包括外壳、分光棱镜、管镜、套筒三、目镜镜筒、相机转接件、相机；所述分光棱镜安装在所述外壳内，所述管镜安装在所述套筒三内，所述相机转接件与所述目镜镜筒旋转连接，所述相机可拆卸安装在所述相机转接件上，所述外壳、所述套筒三、所述目镜镜筒、所述相机转接件依序排列安装，所述套筒二的一端与所述反射镜镜架对接，另一端与所述外壳连接。

所述干涉物镜模块包括底座、分光系统、参考臂、探测臂；所述分光系统安装在所述底座内，所述参考臂、所述探测臂与所述底座连接，所述参考臂与所述探测臂垂直布置。

所述参考臂包括参考物镜、参考臂镜筒、参考镜固定件、参考镜，所述参考物镜安装在所述参考臂镜筒内，所述参考臂镜筒通过调节螺纹与所述参考镜固定件连接，所述参考镜安装在所述参考镜固定板上，通过所述调节螺纹调节所述参考镜与所述参考物镜之间的距离。

所述探测臂包括探测物镜。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供的一种基于Linnik干涉物镜的模块化倍率变换轮廓测量装置，一是不局限于物镜转盘切换镜头倍率，多个干涉物镜通过水平倍率切换驱动及位移传感编码器控制可产生位移，将选好的干涉物镜模块的竖直光轴与目镜镜筒光轴重合，从而切换不同倍率的干涉物镜模块，实现测量系统的倍率变换；二是垂直扫描负载更大，由于Linnik干涉物镜需要2个匹配的物镜构成干涉光路，因此物镜选择更多，相同性能的物镜成本远低于Michelson、Mirau干涉物镜，且能兼容多种物镜构成的Linnik干涉物镜模块安装并切换倍率；且相同倍率下，Linnik干涉物镜相比Michelson、Mirau干涉物镜可以获得更大视场、大数值孔径、长工作距离，另一个优势在于Linnik干涉物镜的参考镜位于物镜外，可根据需求更换。本发明提供的一种基于Linnik干涉物镜的模块化倍率变换轮廓测量装置充分发挥了Linnik干涉物镜参考镜可变、物镜选择更多的优点，因此系统具备Linnik干涉物镜可模块化倍率变换、适应性更好、性价比更高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的基于Linnik干涉物镜的模块化倍率变换轮廓测量装置的主视结构示意图；

图2为本申请实施例的基于Linnik干涉物镜的模块化倍率变换轮廓测量装置的侧视结构示意图；

图3为本申请实施例的干涉物镜模块的主视结构示意图和侧视结构示意图；

图4为本申请实施例的基于Linnik干涉物镜的模块化倍率变换轮廓测量装置的光学原理示意图。

附图标记说明：

1、LED点光源；2、聚光透镜；3、滤光片；4、套筒一；5、反射镜镜架；6、平面反射镜；7、套筒二；8、耦合透镜； 9、分光棱镜；10、外壳；11、管镜；12、套筒三；13、目镜镜筒；14、相机转接件；15、相机；16、垂直扫描驱动及位移传感编码器；17、水平倍率切换驱动及位移传感编码器；18、白光干涉精细垂直扫描驱动及位移传感编码器；19、转接件；20、底座；21、参考臂；22、探测物镜；23、干涉物镜模块；24、分光系统；210、参考物镜；211、参考臂外壳；212、参考镜固定件；213、参考镜；25、被测样品。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

一种基于Linnik干涉物镜的模块化倍率变换轮廓测量装置，包括光源模块、目镜镜筒13模块、垂直扫描驱动及位移传感编码器16、白光干涉精细垂直扫描驱动及位移传感编码器18、水平倍率切换驱动及位移传感编码器17以及至少三个干涉物镜模块23，其中最高倍率的干涉物镜模块23安装在白光干涉精细垂直扫描驱动及位移传感编码器18，其他倍率的干涉物镜模块23通过转接件19安装在水平倍率切换驱动及位移传感编码器17上，白光干涉精细垂直扫描驱动及位移传感编码器18安装在水平倍率切换驱动及位移传感编码器17上，水平倍率切换驱动及位移传感编码器17、光源模块、目镜镜筒13模块均安装在垂直扫描驱动及位移传感编码器16上；通过水平倍率切换驱动及位移传感编码器17带动多个干涉物镜模块23位移，实现测量系统的倍率变换。

该基于Linnik干涉物镜的模块化倍率变换轮廓测量装置，一是不局限于物镜转盘切换镜头倍率，多个干涉物镜通过水平倍率切换驱动及位移传感编码器17控制可产生位移，将选好的干涉物镜模块23的竖直光轴与目镜镜筒13光轴重合，从而切换不同倍率的干涉物镜模块23，实现测量系统的倍率变换；由于Linnik干涉物镜需要2个匹配的物镜构成干涉光路，因此物镜选择更多，相同性能的物镜成本远低于Michelson、Mirau干涉物镜，且能兼容多种物镜构成的Linnik干涉物镜模块安装并切换倍率；且相同倍率下，Linnik干涉物镜相比Michelson、Mirau干涉物镜可以获得更大视场、大数值孔径、长工作距离，另一个优势在于Linnik干涉物镜的参考镜位于物镜外，可根据需求更换。本发明提供的一种基于Linnik干涉物镜的模块化倍率变换轮廓测量装置充分发挥了Linnik干涉物镜参考镜可变、物镜选择更多的优点，因此系统具备Linnik干涉物镜可模块化倍率变换、适应性更好、性价比更高的优点。

本实施例中，多个干涉物镜模块23的高度位置相同，最高倍率的干涉物镜模块23安装在白光干涉精细垂直扫描驱动及位移传感编码器18上，再将白光干涉精细垂直扫描驱动及位移传感编码器18安装在水平倍率切换驱动及位移传感编码器17上，其他倍率的干涉物镜模块23则通过转接件19安装在水平倍率切换驱动及位移传感编码器17上，便于拆装、更换干涉物镜模块23，使用前，首先通过水平倍率切换驱动及位移传感编码器17带动多个干涉物镜模块23水平位移，使选定倍率的干涉物镜模块23的竖直光轴与目镜镜筒13光轴重合，实现测量系统的倍率切换。

本实施例中，垂直扫描驱动及位移传感编码器16在垂直方向为亚微米级精度的扫描，由伺服电机实现驱动，使低倍率的干涉物镜模块23垂直扫描，满足宏观测量时的精度需求。

最高倍率干涉物镜模块23安装在白光干涉精细垂直扫描驱动及位移传感编码器18的运动机构上，对应的位移传感编码器应具有纳米级精度，运动机构受到压电陶瓷驱动实现垂直方向的白光干涉精细扫描，使高倍率干涉物镜完成白光干涉精细垂直扫描，满足微观测量时的精度需求。

其他倍率干涉物镜模块23安装在转接件19上，转接件19和白光干涉精细垂直扫描驱动及位移传感编码器18安装在水平倍率切换驱动及位移传感编码器17的运动机构上，运动机构受到伺服电机驱动产生水平方向位移，为微米级精度，满足切换倍率的精度需求，使不同干涉物镜模块23中竖直光轴与目镜镜筒13模块竖直光轴重合，切换干涉物镜模块23，使干涉物镜模块23相对于光源系统、目镜镜筒13模块位移，实现测量头倍率切换，光轴重合微米级误差不影响成像质量。水平倍率切换驱动及位移传感编码器17安装在垂直扫描驱动及位移传感编码器16的运动机构上，运动机构受到伺服电机驱动，对应的位移传感编码器反馈微米级的垂直位移，实现一般精度的垂直扫描满足宏观测量需求。

本实施例中，位移传感编码器的微米级、亚微米级和纳米级精度分别对应水平伺服电机、垂直伺服电机、压电陶瓷驱动产生的位移进行计量传感。相比其他垂直扫描的白光干涉光学轮廓仪，本发明的光学轮廓测量装置不依赖物镜转盘切换倍率、干涉物镜模块23兼容多种物镜安装，且参考镜213可换；测量系统发挥Linnik干涉物镜优点，物镜参数比Michelson、Mirau干涉物镜产品更灵活，可根据测量需求提高非拼接测量范围、可测角度和非拼接垂直扫描范围，且被测样品25范围更广，适应性更强。该装置垂直方向运动范围大于等于10mm、垂直扫描精度可达1nm，测量形貌精度可达0.1nm、测量形貌的重复精度可达0.01nm，被测样品25反射率至少从0.5%-90%。

本实施例中，光源模块包括LED点光源1、聚光透镜2、滤光片3、套筒一4、反射镜镜架5、平面反射镜6、套筒二7、耦合透镜8，LED点光源1、聚光透镜2、滤光片3依序安装在套筒一4内，平面反射镜6安装在反射镜镜架5上，耦合透镜8安装在套筒二7内，通过套筒一4、套筒二7可对LED点光源1、聚光透镜2、滤光片3以及耦合透镜8进行保护，避免外界条件干扰，且具有防尘作用，便于安装各个光学元件，使各个光学元件的光轴重合在同一直线，光源模块中垂直方向的光学元件的光轴重合位于同一直线，水平方向的光学元件的光轴重合位于同一直线，当LED点光源1发出光束后，光束经聚光透镜2、滤光片3，到达平面反射镜6，这是垂直方向的光轴，光束经平面反射镜6反射至耦合透镜8，到达目镜镜筒13模块的分光棱镜9，这是水平方向的光轴，到达分光棱镜9的光束经分光棱镜9分光后进入干涉物镜模块23。

本实施例中，目镜镜筒13模块包括分光棱镜9、管镜11、套筒三12、目镜镜筒13、相机转接件14、相机15；光源模块的套筒二7与分光棱镜9的外壳10连接，管镜11安装在套筒三12内，相机15通过接口螺纹安装在相机转接件14上，相机转接件14与目镜镜筒13活动连接，可通过旋转相机转接件14调节相机15视场角度，可根据相机15接口的不同更换相机转接件14，分光棱镜9、管镜11、目镜镜筒13以及相机15依序呈直线排列，因此目镜镜筒13模块中竖直方向的光学元件的光轴重合位于同一直线。LED点光源1发射的光束经聚光透镜2、滤光片3、平面反射镜6、耦合透镜8，进入分光棱镜9，通过分光棱镜9将光束导入干涉物镜内。

本实施例中，干涉物镜模块23包括底座20、干涉物镜分光系统24、参考臂21和探测臂，干涉物镜分光系统24安装在底座20内，参考臂21与探测臂分别与底座20连接，参考臂21与探测臂垂直布置。参考臂21包括参考物镜210、参考臂21镜筒、参考镜固定件212、参考镜213，参考物镜210安装在参考臂21镜筒内，参考臂21镜筒通过调节螺纹与参考镜固定件212连接，参考镜213可拆卸安装在参考镜213固定板上，便于更换参考镜213，通过调节螺纹调节参考镜213与参考物镜210之间的距离，从而实现调节干涉物镜模块23中参考臂21的光程；探测臂包括探测物镜22，被测样品25放置在探测物镜22的下端，探测物镜22的上端正对干涉物镜分光系统24，干涉物镜分光系统24包括分光棱镜9，参考臂21的一端朝向干涉物镜分光系统24布置，另一端朝向参考镜213布置。

本实施例中，构成Linnik干涉物镜模块23时，探测物镜22和参考物镜210必须是一对倍率相同匹配良好的物镜。若探测物镜22替换为标准Michelson、Mirau干涉物镜产品，干涉物镜模块23无需安装分光系统24和参考臂21，此时干涉物镜模块23变成Michelson、Mirau干涉物镜模块23。

本实施例中，光束经目镜镜筒13模块的分光棱镜9导入至干涉物镜分光系统24，由干涉物镜分光系统24将光束分成水平和竖直的两束光，分别进入参考臂21和探测臂，为参考光和探测光，进入探测臂的探测光经探测物镜22到达被测样品25表面，被反射，再次经过干涉物镜分光系统24、分光棱镜9、管镜11后聚焦至相机15的靶面；参考光经参考物镜210、参考镜213反射，原路返回，经过干涉物镜分光系统24、分光棱镜9、管镜11后聚焦至相机15的靶面，将参考光路中参考物镜210与参考镜213的距离固定后，因为干涉物镜模块23到被测样品25表面的高度发生变化，使受垂直方向扫描的探测光路光程发生改变，因此，探测光和参考光回到相机15靶面的光程差发生改变，本发明测量系统记录视场内干涉条纹并比较零光程差时零级条纹位置，从而获得各点相对高度，实现三维轮廓测量。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。