分瞳式移相干涉共焦微位移測量裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種分瞳式移相干涉共焦微位移測量裝置，屬于超精密測量領(lǐng)域。該裝置解決了基于PBS分光的移相干涉共焦系統(tǒng)中存在的抗干擾能力差，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度低的問題。本發(fā)明裝置主要包括四路移相干涉光路和分瞳式共焦差分探測光路；該裝置利用二維Ronchi光柵分出的四束光，經(jīng)偏振移相陣列后，轉(zhuǎn)變成相位差依次為90°的線偏振光；1、3象限兩束光通過分瞳式位相濾波器實(shí)現(xiàn)正移焦，2、4象限兩束光通過分瞳式位相濾波器實(shí)現(xiàn)負(fù)移焦；最后利用CCD相機(jī)構(gòu)成的軟針孔陣列同時(shí)采集四路干涉、共焦信號(hào)。本發(fā)明將移相干涉與共焦差分探測集成在同一光路，可在較大測量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)微位移測量。
【專利說明】
分瞳式移相干涉共焦微位移測量裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種分瞳式移相干涉差分共焦微位移測量裝置，屬于超精密測量領(lǐng) 域，主要涉及較大工作距離、高分辨力的微小結(jié)構(gòu)與幾何形貌等測量應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 暨1957年M.Minsky提出共焦測量技術(shù)，通過引入針孔探測器抑制雜散光，實(shí)現(xiàn)了 高分辨力三維掃描之后，不同的共焦顯微測量技術(shù)和裝置不斷涌現(xiàn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于微光 學(xué)、微機(jī)械、表面科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，具有寬廣的應(yīng)用前景。
[0003] 為了克服環(huán)境振動(dòng)、實(shí)現(xiàn)高精度絕對(duì)位置測量，將移相干涉技術(shù)與差動(dòng)共焦技術(shù) 相結(jié)合，將位移變化轉(zhuǎn)換成位相變化，并利用共焦顯微技術(shù)的零點(diǎn)特性實(shí)現(xiàn)微位移和微結(jié) 構(gòu)表面形貌測量。專利：基于移相干涉的二次共焦測量方法與裝置（專利公開號(hào)： CN101275822A)，提出一種移相干涉二次共焦測量技術(shù)，利用共焦點(diǎn)探測和移相干涉技術(shù)， 獲得正、負(fù)離焦?fàn)顟B(tài)下的相位信息，根據(jù)相位解算得到實(shí)際位移測量結(jié)果。但是該項(xiàng)技術(shù)利 用物理針孔探測，在實(shí)際裝調(diào)過程中存在很多困難，影響最終測量結(jié)果，引入測量誤差。專 利:移相干涉二次共焦軟針孔探測裝置與方法(專利公開號(hào):CN101520304A)，提出軟針孔共 焦探測技術(shù)，利用顯微物鏡和CCD相機(jī)的組合來代替移相干涉二次共焦測量技術(shù)中探測針 孔與點(diǎn)探測器裝置，調(diào)整顯微物鏡和CCD相機(jī)使其實(shí)現(xiàn)物理針孔探測作用，降低了裝調(diào)誤 差，提高點(diǎn)探測精度。但在該方法中，由于采用四步時(shí)間移相干涉，其測量的實(shí)時(shí)性和抗干 擾能力明顯降低;測量時(shí)需要移動(dòng)顯微物鏡和CCD相機(jī)來完成離焦探測，其測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù) 雜。針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出一種利用二維Ronchi光柵分光的空間移相干涉和分瞳式位 相光瞳濾波器相結(jié)合的移相干涉共焦顯微技術(shù)，提高了信號(hào)采集的同步性和抗共模干擾能 力，并且不需要移動(dòng)顯微物鏡與CCD相機(jī)即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)正、負(fù)離焦的四步移相干涉共焦信 號(hào)進(jìn)行采集。該技術(shù)可應(yīng)用于微位移、絕對(duì)位置測量和三維表面形貌測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種分瞳式移相干涉共焦微位移測量 裝置，該裝置具有測量工作距離大、抗干擾能力強(qiáng)、分辨力高和集成度高的特點(diǎn)。本發(fā)明利 用光柵分光與偏振移相陣列結(jié)構(gòu)相結(jié)合，同時(shí)產(chǎn)生四路不同移相量的干涉光，利用分瞳式 位相光瞳濾波器改變探測物鏡的聚焦特性，使各光路分別實(shí)現(xiàn)正、負(fù)移焦，利用CCD相機(jī)構(gòu) 成軟針孔陣列探測裝置。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種分瞳式移相干涉共焦微位移測量裝置，包括光源、檢偏器、擴(kuò)束鏡和1/2波片 組成光源系統(tǒng)，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角為45°的線偏振光;經(jīng)偏振分光棱鏡PBS，其中一束透過的P光，經(jīng) 第一 1/4波片、測量物鏡、待測物組成測量臂，獲取被測位移信息，由于兩次經(jīng)過第一 1/4波 片，P光變?yōu)镾光，再次經(jīng)PBS反射;另一束經(jīng)偏振分光棱鏡反射的S光、經(jīng)第二1/4波片、參考 反射鏡組成參考臂，獲取參考位移信息，同理S光變?yōu)镻光，再次經(jīng)PBS透射。兩束光在PBS上 重合，經(jīng)過第三1/4波片后發(fā)生干涉，將被測位移信息轉(zhuǎn)變成相位。干涉光經(jīng)光柵分光與光 闌陣列選出完全相同的（±1，±1)衍射光，這四束光分別經(jīng)過偏振移相陣列的不同象限，使 得四束干涉光的相位差分別為0°、90°、180°、270°。
[0007] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，還包括四象限位相光瞳濾波器，相位差為0°和180°的 兩束光分別通過能產(chǎn)生正移焦的分瞳式位相光瞳濾波器的光瞳區(qū)域，另外的兩束光分別通 過能產(chǎn)生負(fù)移焦的分瞳式位相光瞳濾波器的光瞳區(qū)域。
[0008] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，還包括四路干涉平行光由同一收集物鏡聚焦，并利用 放大鏡頭將收集物鏡焦面的聚焦光斑成像在CCD上，通過2X2軟針孔陣列探測技術(shù)對(duì)移焦 后的四束光強(qiáng)進(jìn)行采集。
[0009] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，還包括利用測量物鏡、收集物鏡、和CCD構(gòu)成的四路移 相干涉共焦顯微成像光路。
[0010] -種分光瞳式移相干涉共焦微位移測量裝置，其測量方法如下：
[0011] 由上述光路得到四路光強(qiáng)信息分別為仏^仏利用下面公式⑴和⑵對(duì)四路 采集光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行處理，
[0014] 其中，A、B、C、D分別代表移相0°、90°、180°、270°，UD為位相光瞳濾波器引入的移焦 量，T為光強(qiáng)振幅系數(shù)，K為相位離焦量系數(shù)，Δρ(〃)為被測物離焦量u轉(zhuǎn)換成的相位信息。首 先利用差分曲線Idlff的零點(diǎn)特性選取干涉光強(qiáng)Iphase變化的主周期，然后在Iphase主周期里實(shí) 現(xiàn)高精度測量，還原被測物的微位移變化值。
[0015] 本發(fā)明具有以下顯著特點(diǎn)和有益效果：
[0016] 1、利用二維光柵、四象限偏振移相陣、分瞳式位相濾波器與軟針孔陣列相結(jié)合，將 四步移相干涉技術(shù)與共焦顯微技術(shù)緊密結(jié)合在一起，可實(shí)現(xiàn)高精度絕對(duì)位置測量，同時(shí)使 系統(tǒng)集成度顯著提高；
[0017] 2、利用分瞳式位相光瞳濾波器可使不同象限的信號(hào)光在同一收集透鏡下，同時(shí)分 別發(fā)生正、負(fù)離焦，實(shí)現(xiàn)了各光路共面探測;此外，由于差動(dòng)共焦系統(tǒng)中，針孔離焦距離不正 確將嚴(yán)重影響系統(tǒng)分辨力和測量范圍，本發(fā)明利用分瞳式位相濾波器，使得探測針孔位置 能很容易處于最優(yōu)位置；
[0018] 3、利用軟針孔陣列代替?zhèn)鹘y(tǒng)的物理針孔，解決了共焦系統(tǒng)針孔位置調(diào)整困難的問 題。
【附圖說明】
[0019] 附圖1為分瞳式移相干涉差分共焦測量裝置示意圖。
[0020] 圖中件號(hào)說明：1-激光器、2-檢偏器、3-擴(kuò)束鏡、4-1/2波片、5-偏振分光棱鏡、6-第 一 1/4波片、7-測量物鏡、8-待測物、9-第二1/4波片、10-參考反射鏡、11-第三1/4波片、12-二維Ronchi光柵、13-光闌陣列、14-偏振移相陣列、15-分瞳式四象限位相光瞳濾波器、16-收集物鏡、17-CCD。
[0021 ]附圖2為二維Ronchi光柵分光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不意圖 [0022]附圖3為偏振移相陣列示意圖
[0023] 附圖4為分瞳式四象限位相光瞳濾波器示意圖
[0024] 附圖5為分瞳式同步移相干涉差分共焦特性曲線圖，其中（a)為移相干涉共焦系統(tǒng) 中共焦軸向響應(yīng)特性曲線圖，（b)為移相干涉與差分共焦系統(tǒng)軸向響應(yīng)特性曲線圖
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明整體實(shí)施實(shí)例作詳細(xì)說明。
[0026] 如圖1，激光光源1發(fā)出的光經(jīng)過檢偏器2，使P光通過，P光由準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡3擴(kuò)束，經(jīng) 過快軸與光軸夾角為22.5°的1/2波片4改變其偏轉(zhuǎn)角成45°，經(jīng)TOS5透過的P光，經(jīng)過第一 1/ 4波片6、測量物鏡7,由待測物8反射經(jīng)過測量物鏡7和第一 1/4波片6轉(zhuǎn)變成S光，經(jīng)PBS5反 射;另一束經(jīng)PBS5反射的與P光等光強(qiáng)的S光，經(jīng)過第二1/4波片9,由參考反射鏡10反射再次 經(jīng)過第二1/4波片9轉(zhuǎn)變成P光，經(jīng)TOS5透過與反射的測量光重合，經(jīng)過第三1/4波片11發(fā)生 干涉，將被測位移信息轉(zhuǎn)變成相位。干涉光經(jīng)二維Ronchi光柵12分光與光闌陣列13選出完 全相同的（±1，±1)衍射光(如附圖2所示為光柵與光闌陣列結(jié)構(gòu)圖），這四束光分別經(jīng)過偏 振移相陣列14(如附圖3所示為偏振移相陣列）的不同象限，使得四束光的相位差分別為0°、 90°、180°、270°。
[0027]相位差為0°和180°的兩束光(A和C)，分別通過能使其發(fā)生正移焦的分瞳式位相光 瞳濾波器15的光瞳區(qū)域;另外的兩束光(B和D)分別通過能使其發(fā)生負(fù)移焦的分瞳式位相光 瞳濾波器15的光瞳區(qū)域。通過顯微物鏡16和CCD相機(jī)17組成的軟針孔探測裝置對(duì)移焦后的 四束光進(jìn)行米集。
[0028]本具體實(shí)施例中采用的分瞳式位相濾波器15的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示，四個(gè)象限的 光瞳函數(shù)為：
[0030] 式中以子光瞳圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立的函數(shù)，a表示振幅透過率系數(shù)，m為分瞳式位 相濾波器對(duì)應(yīng)的光瞳，P表示為相位透過率，r表示子光瞳各個(gè)環(huán)的半徑。
[0031] 將探測到的四路光強(qiáng)1^18、1^^利用式（1)進(jìn)行計(jì)算，作為差分共焦系統(tǒng)輸出量 Idlff，如附圖5(a)所示，利用差分共焦Idlff的特性曲線獲得被測面的位置的粗測量;利用式 ⑵進(jìn)行計(jì)算，獲得移相干涉系統(tǒng)的輸出量I Phase，如附圖5(b)所示;利用被測面位置的粗測 量的結(jié)果選取IPh ase測量的主周期，實(shí)現(xiàn)被測面位置的高精度測量。
[0032] 以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作了說明，但這些說明不能被理解為限制 本發(fā)明的范圍。
[0033] 本發(fā)明的保護(hù)范圍由隨附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上的改 動(dòng)都是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種分瞳式移相干涉共焦微位移測量裝置，其特征在于：包括激光器（1)、檢偏器 (2)、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡(3)、1/2波片(4)、偏振分光棱鏡(5)、第一1/4波片(6)、第一測量物鏡(7)、 被測物(8)、第二1 /4波片(9)、參考反射鏡（10)、第三1 /4波片（11)、二維Ronchi光柵(12)、分 光光闌（13)、偏振移相陣列（14)、分瞳式位相光瞳濾波器（15)、收集物鏡（16)、CCD相機(jī) (17)； 其中激光器（1)、檢偏器(2)、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡(3)、1/2波片(4)、偏振分光棱鏡（5)、第一 1/4 波片(6)、被測物(8)、第二1/4波片(9)、參考反射鏡（10)、第三1/4波片（11)組成泰曼格林干 涉系統(tǒng);二維Ronchi光柵（12)、分光光闌（13)與偏振移相陣列（14)組成四路分光移相偏振 結(jié)構(gòu)；激光器（1 )、第一測量物鏡（7 )、被測物(8)與分瞳式位相光瞳濾波器（15 )、收集物鏡 (16)、CCD相機(jī)(17)組成差分共焦探測裝置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分瞳式移相干涉共焦微位移測量裝置，其特征在于:測量物鏡 (7)將入射平行光聚焦成點(diǎn)，照射到被測物表面上。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分瞳式移相干涉共焦微位移測量裝置，其特征在于：二維 Ronchi光柵（12)作為分光元件，其偶數(shù)級(jí)次衍射光光強(qiáng)為0，（ ± 1，± 1)級(jí)次衍射光最強(qiáng);所 述的偏振移相陣列（14)為2X2陣列，透光軸依次為0°、45°、90°、135°，利用此陣列可以實(shí)現(xiàn) 干涉光移相依次為0°，90°，180°，270°。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分瞳式移相干涉共焦微位移測量裝置，其特征在于:分光瞳式 位相光瞳濾波器(15)，其結(jié)構(gòu)中包括4個(gè)關(guān)于中心對(duì)稱的子光瞳區(qū)，每個(gè)子光瞳濾波器為圓 對(duì)稱，二環(huán)或多環(huán)結(jié)構(gòu)。其中1、3象限子光瞳可實(shí)現(xiàn)正向移焦，2,4象限子光瞳可實(shí)現(xiàn)負(fù)向移 焦。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分瞳式移相干涉共焦微位移測量裝置，其特征在于:CCD(17) 作為光強(qiáng)測量裝置，利用圖像處理技術(shù)構(gòu)建4個(gè)軟針孔，以替代共焦系統(tǒng)的硬針孔，在同一 (XD相機(jī)上對(duì)四束光斑同時(shí)采集處理。
【文檔編號(hào)】G01B11/00GK105865339SQ201610317208
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月12日
【發(fā)明人】黃向東, 譚久彬, 向小燕
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)