專利名稱：陣列垂直腔面發(fā)射激光器共焦顯微系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于表面形貌測量技術(shù)領(lǐng)域。特別涉及陣列垂直腔面發(fā)射激光器共焦顯微系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在當(dāng)今蓬勃發(fā)展的制造業(yè)中，微納米精密計量技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用到包括航空航天、半導(dǎo)體工業(yè)、微機(jī)電系統(tǒng)MEMS、微電子掩膜板、生物芯片等各個領(lǐng)域，表面形貌的測量長期以來就是精密計量領(lǐng)域的熱點(diǎn)。自由曲面是一種特殊的表面，是指非對稱性、不規(guī)則、不適合用統(tǒng)一的方程式來描述的曲面。自由曲面光學(xué)元件已成為用于光電信息產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵零部件。此外，人工關(guān)節(jié)表面也是一種典型的自由曲面，其研究在人體康復(fù)工程中占有重要的位置。
自由曲面加工常用數(shù)控磨削方法，在其加工過程中存在基本面型誤差。為了提高自由曲面的加工精度，需要對其進(jìn)行在線檢測。當(dāng)前最常用的自由曲面測量方法是坐標(biāo)測量。坐標(biāo)測量法是一種通用數(shù)字化間接測量技術(shù)，它以空間直角坐標(biāo)為參考系，檢測零件輪廓上各被測點(diǎn)的坐標(biāo)值，并對其數(shù)據(jù)群進(jìn)行處理，求得零件各幾何元素形位尺寸的檢測方法。實(shí)施設(shè)備一般為三坐標(biāo)測量機(jī)。目前，精密坐標(biāo)測量機(jī)的綜合測量精度達(dá)到了0.6-0.7μm。傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量機(jī)多采用接觸式測量，其缺點(diǎn)是測量速度低、易劃傷被測表面、存在接觸壓力和測頭半徑補(bǔ)償?shù)热秉c(diǎn)。
對于高精度的表面形貌測量，常用的還有原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、近場光學(xué)顯微鏡、干涉顯微鏡等方法?；谝陨蠝y量原理，Veeco、Taylor-Hobson等公司開發(fā)了系列表面形貌測量儀器，例如Talysurf CCI，Wyko NT-8000、ZygoNewView 5000等。雖然這些方法和儀器都具有很高的測量精度，但其測量速度和測量范圍都受到一定的局限，并不適用于自由曲面的測量。
所以，研究適用于較高精度、快速檢測和大范圍測量的新原理、新方法已成為自由曲面制造業(yè)發(fā)展亟待解決的問題。本申請正是瞄準(zhǔn)這一需求，提出一種采用二維陣列式垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)作為光源的多點(diǎn)同時掃描共焦顯微法用于自由曲面測量。VCSEL于上個世紀(jì)八十年代末問世，短短十幾年來，它被廣泛地應(yīng)用到大規(guī)模集成光互連、超寬帶光纖通訊以及空間光學(xué)二維光信息處理等領(lǐng)域，并在材料、制作、加工等方面都得到迅猛發(fā)展。本申請擬通過控制VCSEL陣列上不同點(diǎn)光源同時發(fā)光，實(shí)現(xiàn)對待測表面相對應(yīng)各測點(diǎn)的提取，以獲得微觀表面形貌信息。該系統(tǒng)以光學(xué)掃描方法部分取代了傳統(tǒng)儀器中二維工作臺機(jī)械掃描，從而大大提高測量速度。通過對VCSEL進(jìn)行線性調(diào)頻、相位檢測等手段，可實(shí)現(xiàn)絕對距離測量以擴(kuò)展測量范圍。
基于這種陣列式VCSEL的新型共焦顯微系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了“零接觸測量”，有效避免了在高精度測量中測量力帶來的系統(tǒng)誤差，可方便實(shí)現(xiàn)對軟質(zhì)和超薄形物體表面形狀的測量，具有測量分辨率高、速度快、測量范圍大等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于微機(jī)械MEMS器件、微電子掩膜板、生物芯片等各種微觀精密表面，尤其是汽車車燈、人工關(guān)節(jié)、液晶顯示微陣列透鏡等自由曲面的測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供基于二維的面陣光源多點(diǎn)掃描的一種陣列式垂直腔面發(fā)射激光器共焦顯微系統(tǒng)。所述垂直腔面發(fā)射激光器共焦顯微系統(tǒng)包括光源、測量和信號處理三個部分，其特征在于所述光源部分，是一個垂直腔面發(fā)射激光器陣列，其驅(qū)動電源為直流電源驅(qū)動、開關(guān)控制逐一驅(qū)動，或線性調(diào)頻電源，前二者用于實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)共焦系統(tǒng)的測量；所述驅(qū)動電源用于通過對垂直腔面發(fā)射激光器進(jìn)行線性調(diào)頻，實(shí)現(xiàn)絕對距離測量以增大儀器的測量范圍；其垂直腔面發(fā)射激光器陣列光源可逐一發(fā)光或者同時發(fā)光；所述信號處理部分包括一個光學(xué)信號的接收器件，由CCD(電荷藕合器件圖像傳感器)器件，或PIN器件擔(dān)任，其中CCD器件用于進(jìn)行多點(diǎn)同時探測，PIN器件用于進(jìn)行單點(diǎn)探測；工控計算機(jī)，具有信號采集、分析以及顯示的功能，用于對上述CCD器件接收的信號進(jìn)行處理，同時也具有D/A輸出，用于驅(qū)動顯微鏡物鏡的顯微鏡物鏡驅(qū)動裝置，獲得共焦測量的光強(qiáng)最大點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)共焦測量；在多點(diǎn)探測時對垂直腔面發(fā)射激光器陣列進(jìn)行控制，達(dá)到使之逐一發(fā)光的目的。
所述測量部分包括一個擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡，用于對垂直腔面發(fā)射激光器陣列輸出的光束進(jìn)行擴(kuò)束和準(zhǔn)直，使得光束能夠在系統(tǒng)光學(xué)元件范圍內(nèi)傳輸；一個分光鏡，用于將待測樣品的上反射和散射的光束反射到測量系統(tǒng)中；一個長筒顯微物鏡，包括顯微鏡物鏡及顯微鏡物鏡驅(qū)動裝置，用于將垂直腔面發(fā)射激光器陣列的輸出光束會聚在待測樣品上，同時用于層析掃描；所述待測樣品即為被測量的物體；所述陣列針孔，一個位于垂直腔面發(fā)射激光器陣列輸出光端，用于光源濾波；另一個位于探測器件CCD器件9的前端，用于形成共焦測量；一個會聚接收透鏡，用于將待測樣品的上反射和散射的光束會聚到陣列針孔上；顯微鏡物鏡驅(qū)動裝置由PI-FOC壓電陶瓷驅(qū)動器擔(dān)任，用于帶動物鏡做垂直方向掃描。
所述陣列式垂直腔面發(fā)射激光器共焦顯微系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)是，在垂直腔面發(fā)射激光器陣列1下面固定陣列針孔2，按光路布置，在陣列針孔2和顯微物鏡5之間的光軸上從上至下放置擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡3和分光鏡4，待測樣品6放在顯微物鏡5的載物臺上，顯微鏡物鏡的驅(qū)動裝置10和顯微物鏡5固定在一起；在垂直于光軸的分光鏡4的折射光光軸上，在分光鏡4左面依次放置會聚透鏡7、陣列針孔8和CCD器件9；工控計算機(jī)11通過信號線分別和垂直腔面發(fā)射激光器陣列1、CCD器件9、顯微鏡物鏡的驅(qū)動裝置10和待測樣品6連接。
本發(fā)明的有益效果是通過解決待測工件與光源的匹配以及與探測孔陣列的匹配，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時掃描探測，以光學(xué)掃描部分取代傳統(tǒng)的工作臺機(jī)械掃描，獲取待測曲面的幾何參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)的性能指標(biāo)為軸向測量精度10-100nm(與顯微物鏡放大率及其它系統(tǒng)參數(shù)有關(guān))、橫向光學(xué)掃描范圍為100μm-1mm(可配合工作臺移動而擴(kuò)展)。它以光學(xué)掃描方法部分取代了傳統(tǒng)儀器中工作臺的機(jī)械式掃描，從而減少振動等帶來的干擾并顯著提高測量速度，而通過增加垂直腔面發(fā)射激光器陣列的線性調(diào)頻、相位檢測手段，可實(shí)現(xiàn)絕對距離測量以增大儀器的測量范圍。


圖1為垂直腔面發(fā)射激光器共焦顯微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供基于二維的面陣光源多點(diǎn)掃描的一種陣列式垂直腔面發(fā)射激光器共焦顯微系統(tǒng)。所述垂直腔面發(fā)射激光器共焦顯微系統(tǒng)包括光源、測量和信號處理三個部分，其特征在于所述光源部分，是一個垂直腔面發(fā)射激光器陣列，其驅(qū)動電源為直流電源驅(qū)動、開關(guān)控制逐一驅(qū)動，或線性調(diào)頻電源，前二者用于實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)共焦系統(tǒng)的測量；所述驅(qū)動電源用于通過對垂直腔面發(fā)射激光器進(jìn)行線性調(diào)頻，實(shí)現(xiàn)絕對距離測量以增大儀器的測量范圍；其垂直腔面發(fā)射激光器陣列光源可逐一發(fā)光或者同時發(fā)光；所述信號處理部分包括一個光學(xué)信號的接收器件為CCD器件，或PIN器件，其中CCD器件用于進(jìn)行多點(diǎn)同時探測，PIN器件用于進(jìn)行單點(diǎn)探測；工控計算機(jī)，具有信號采集、分析以及顯示的功能，用于對上述CCD器件接收的信號進(jìn)行處理，同時也具有D/A輸出，用于驅(qū)動顯微鏡物鏡的顯微鏡物鏡驅(qū)動裝置，獲得共焦測量的光強(qiáng)最大點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)共焦測量；在多點(diǎn)探測時對垂直腔面發(fā)射激光器陣列進(jìn)行控制，達(dá)到使之逐一發(fā)光的目的。
所述測量部分包括一個擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡，用于對垂直腔面發(fā)射激光器陣列輸出的光束進(jìn)行擴(kuò)束和準(zhǔn)直，使得光束能夠在系統(tǒng)光學(xué)元件范圍內(nèi)傳輸；
一個分光鏡，用于將待測樣品的上反射和散射的光束反射到測量系統(tǒng)中；一個長筒顯微物鏡，包括顯微鏡物鏡及顯微鏡物鏡驅(qū)動裝置，顯微鏡物鏡驅(qū)動裝置由PI-FOC，壓電器件擔(dān)任，用于將垂直腔面發(fā)射激光器陣列的輸出光束會聚在待測樣品上，同時用于層析掃描；所述待測樣品即為被測量的物體；所述陣列針孔，一個位于垂直腔面發(fā)射激光器陣列輸出光端，用于光源濾波；另一個位于探測器件CCD器件9的前端，用于形成共焦測量；一個會聚接收透鏡，用于將待測樣品的上反射和散射的光束會聚到陣列針孔上；所述陣列式垂直腔面發(fā)射激光器共焦顯微系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，在垂直腔面發(fā)射激光器陣列1下面固定陣列針孔2，按光路布置，在陣列針孔2和顯微物鏡5之間的光軸上從上至下放置擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡3和分光鏡4，待測樣品6放在顯微物鏡5的載物臺上，顯微鏡物鏡的驅(qū)動裝置10和顯微物鏡5固定在一起；在垂直于光軸的分光鏡4的折射光光軸上，在分光鏡4左面依次放置會聚透鏡7、陣列針孔8和CCD器件9；工控計算機(jī)11通過信號線分別和垂直腔面發(fā)射激光器陣列1、CCD器件9、顯微鏡物鏡的驅(qū)動裝置10和待測樣品6連接。
下面結(jié)合

系統(tǒng)工作原理垂直腔面發(fā)射激光器陣列1所輸出光束入射到陣列針孔2上，陣列針孔2能夠減小垂直腔面發(fā)射激光器陣列1的輸出光間的干擾。擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡3，將垂直腔面發(fā)射激光器陣列1輸出的光束進(jìn)行擴(kuò)束和準(zhǔn)直，使得光束能夠在系統(tǒng)光學(xué)元件范圍內(nèi)傳輸。分光鏡4，用于將待測樣品的上反射和散射的光束反射到測量系統(tǒng)中，為測量系統(tǒng)提供光學(xué)信號。顯微物鏡5，由驅(qū)動裝置10驅(qū)動，沿著光束方向移動，以便將垂直腔面發(fā)射激光器陣列1輸出的光束會聚在待測樣品6上，實(shí)現(xiàn)共焦測量。待測樣品6即是被測量的物體。分光鏡4反射的光束經(jīng)過會聚接收透鏡7入射到陣列針孔8上。在進(jìn)行多點(diǎn)同時探測時，CCD器件或PIN器件9位于陣列針孔8后對光學(xué)信號進(jìn)行接收；PIN器件是在進(jìn)行單點(diǎn)探測時用。工控計算機(jī)11，具有信號采集、分析以及顯示的功能，用于對上述CCD器件9接收的信號進(jìn)行處理，同時它也具有D/A輸出用于驅(qū)動顯微鏡物鏡的驅(qū)動裝置10，以使得系統(tǒng)獲得共焦測量的光強(qiáng)最大點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)共焦測量；在垂直腔面發(fā)射激光器陣列1進(jìn)行逐一發(fā)光時對其進(jìn)行控制。
上述系統(tǒng)設(shè)計實(shí)現(xiàn)對垂直腔面發(fā)射激光器陣列不同點(diǎn)光源光強(qiáng)的控制及線性調(diào)頻。以陣列垂直腔面發(fā)射激光器作為共焦系統(tǒng)的光源，實(shí)現(xiàn)對待測工件表面的光學(xué)掃描，獲得不同點(diǎn)的幾何參數(shù)特征。由工控計算機(jī)分別記錄共焦光強(qiáng)探測結(jié)果以及線性調(diào)頻所獲得的表面上絕對距離變化(尤其是當(dāng)變化比較劇烈時)，可得綜合的自由曲面測量信息。陣列VCSEL上不同點(diǎn)光源發(fā)出的激光首先經(jīng)過一陣列針孔(可采取曝光方式加工、保證與垂直腔面發(fā)射激光器陣列相匹配)，再由擴(kuò)束透鏡準(zhǔn)直，經(jīng)過分光鏡后被顯微物鏡會聚到待測的自由曲面工件，從待測工件上返回的光經(jīng)分光鏡反射，由另一透鏡會聚并分別投射到與垂直腔面發(fā)射激光器前陣列針孔相共軛的另一陣列針孔，通過CCD器件接收其各點(diǎn)的光強(qiáng)信息。通過顯微物鏡(與PI-FOC壓電陶瓷驅(qū)動器聯(lián)結(jié))進(jìn)行軸向?qū)游鰭呙?，可捕捉到各測點(diǎn)共焦光強(qiáng)最大的位置，進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理可得最終待測曲面的幾何參數(shù)信息。在探測共焦系統(tǒng)光強(qiáng)的基礎(chǔ)上，在光源和接收部分增加對陣列垂直腔面發(fā)射激光器作線性調(diào)頻的環(huán)節(jié)，通過相位檢測可得曲面上不同點(diǎn)與光源之間絕對距離的變化量。對于多點(diǎn)光源同時進(jìn)行線性調(diào)頻所需進(jìn)行的驅(qū)動及信號接收、處理等問題都有待解決。
權(quán)利要求
1.一種陣列式垂直腔面發(fā)射激光器共焦顯微系統(tǒng)，所述垂直腔面發(fā)射激光器共焦顯微系統(tǒng)包括光源、測量和信號處理三個部分，其特征在于所述光源部分，是一個垂直腔面發(fā)射激光器陣列，其驅(qū)動電源為直流電源驅(qū)動、開關(guān)控制逐一驅(qū)動，或線性調(diào)頻電源，前二者用于實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)共焦系統(tǒng)的測量；所述驅(qū)動電源用于通過對垂直腔面發(fā)射激光器進(jìn)行線性調(diào)頻，實(shí)現(xiàn)絕對距離測量以增大儀器的測量范圍；其垂直腔面發(fā)射激光器陣列光源可逐一發(fā)光或者同時發(fā)光；所述信號處理部分包括一個光學(xué)信號的接收器件，用于進(jìn)行多點(diǎn)同時探測或進(jìn)行單點(diǎn)探測；工控計算機(jī)，具有信號采集、分析以及顯示的功能，用于對上述CCD器件接收的信號進(jìn)行處理，同時也具有D/A輸出，用于驅(qū)動顯微鏡物鏡的顯微鏡物鏡驅(qū)動裝置，獲得共焦測量的光強(qiáng)最大點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)共焦測量；在多點(diǎn)探測時對垂直腔面發(fā)射激光器陣列進(jìn)行控制，達(dá)到使之逐一發(fā)光的目的。所述測量部分包括一個擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡，用于對垂直腔面發(fā)射激光器陣列輸出的光束進(jìn)行擴(kuò)束和準(zhǔn)直，使得光束能夠在系統(tǒng)光學(xué)元件范圍內(nèi)傳輸；一個分光鏡，用于將待測樣品的上反射和散射的光束反射到測量系統(tǒng)中；一個長筒顯微物鏡，包括顯微鏡物鏡及顯微鏡物鏡驅(qū)動裝置，用于將垂直腔面發(fā)射激光器陣列的輸出光束會聚在待測樣品上，同時用于層析掃描；所述陣列針孔，一個位于垂直腔面發(fā)射激光器陣列輸出光端，用于光源濾波；另一個位于探測器件CCD器件的前端，用于形成共焦測量；一個會聚接收透鏡，用于將待測樣品的上反射和散射的光束會聚到陣列針孔上；所述陣列式垂直腔面發(fā)射激光器共焦顯微系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)是，在垂直腔面發(fā)射激光器陣列(1)下面固定陣列針孔(2)，按光路布置，在陣列針孔(2)和顯微物鏡(5)之間的光軸上從上至下放置擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡(3)和分光鏡(4)，待測樣品(6)放在顯微物鏡(5)的載物臺上，顯微鏡物鏡的驅(qū)動裝置(10)和顯微物鏡(5)固定在一起；在垂直于光軸的分光鏡(4)的折射光光軸上，在分光鏡(4)左面依次放置會聚透鏡(7)、陣列針孔(8)和CCD器件(9)；工控計算機(jī)(11)通過信號線分別和垂直腔面發(fā)射激光器陣列(1)、CCD器件(9)、顯微鏡物鏡的驅(qū)動裝置(10)和待測樣品(6)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述陣列式垂直腔面發(fā)射激光器共焦顯微系統(tǒng)，其特征在于，所述顯微鏡物鏡驅(qū)動裝置為PI-FOC壓電陶瓷驅(qū)動器，用于帶動物鏡做垂直方向掃描。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述陣列式垂直腔面發(fā)射激光器共焦顯微系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)信號的接收器件為CCD器件或PIN器件，其中CCD器件用于進(jìn)行多點(diǎn)同時探測，PIN器件用于進(jìn)行單點(diǎn)探測。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于表面形貌測量技術(shù)領(lǐng)域的一種陣列垂直腔面發(fā)射激光器共焦顯微系統(tǒng)。包括光源、測量和信號處理三個部分組成，光源部分是一個垂直腔面發(fā)射激光器陣列，實(shí)現(xiàn)對工件表面相對應(yīng)各測點(diǎn)的特征提取，信號處理部分由光學(xué)信號的接收器件和工控計算機(jī)組成；測量部分包括擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡，分光鏡和一個長筒顯微物鏡。系統(tǒng)以光學(xué)掃描方法部分取代了傳統(tǒng)儀器中工作臺的機(jī)械式掃描，從而減少振動等帶來的干擾并顯著提高測量速度。通過增加垂直腔面發(fā)射激光器線性調(diào)頻、相位檢測手段，可實(shí)現(xiàn)絕對距離測量以增大儀器的測量范圍。該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種自由曲面、微機(jī)械MEMS器件、微電子掩膜板、生物芯片等微觀精密表面的測量。
文檔編號G01B11/24GK1815137SQ20061006571
公開日2006年8月9日 申請日期2006年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月14日
發(fā)明者林德教, 劉音, 閆聚群, 李巖, 殷純永 申請人:清華大學(xué)