[發(fā)明專利]大視場物體微觀表面三維形貌的測量系統(tǒng)及其測量方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710057416.7
• 申請日: 2007-05-22
• 公開（公告）號: CN101050949A
• 公開（公告）日: 2007-10-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張紅霞;張以謨;井文才;賈大功;李曉靜
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所
• 代理人: 江鎮(zhèn)華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種微觀物體表面形貌測量技術(shù)。特別是涉及一種利用相移顯微干涉術(shù)測量大視場物體微觀表面三維形貌，且測量精度高，不損傷被測面表面的大視場物體微觀表面三維形貌的測量系統(tǒng)及其測量方法。

背景技術(shù)

對物體的三維形貌的檢測，一直是一項重要的檢測內(nèi)容。測量物體表面形貌的方法主要分為接觸式測量法和非接觸式測量法。

接觸式測量方法采用接觸式探針逐行掃描樣本表面，該方法雖然精度較高，但是容易損傷被測面表面。

對于精密的物體表面形貌，非接觸式的測量方法比較可行。中國專利02103611.X公開了一種采用透射式微分干涉相稱顯微鏡測量透明物體的表面形貌，但是這種方法不能對非透明物體的表面形貌進行測量。中國專利CN1179535公開了一種用來檢測電路板等表面零件輪廓的三維測量裝置和方法，它是利用三角測量原理確定被測物體表面的凹凸量。中國專利99127007.X公開了一種光帶掃描式的表面三維形貌的檢測方法。

干涉測量法因為測量精度高，屬于非接觸測量而廣泛應(yīng)用于形貌測量，但是微觀的表面形貌需要的橫向和縱向的測量分辨率更高，因而需要一種測量精度高的測量方法，同時對于大視場的物體微觀表面三維形貌，也需要相應(yīng)的測量方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種利用相移顯微干涉術(shù)測量大視場物體微觀表面三維形貌，且測量精度高，不損傷被測面表面的大視場物體微觀表面三維形貌的測量系統(tǒng)及其測量方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種大視場物體微觀表面三維形貌的測量系統(tǒng)，包括有光源，還設(shè)置有接收光源的聚光系統(tǒng)；在聚光系統(tǒng)的輸出光的一側(cè)設(shè)置有第一分光鏡；在第一分光鏡的下側(cè)依次設(shè)置有顯微物鏡、參考面、第二分光鏡、被測面、以及移動被測面的精密位移平臺；在第一分光鏡的上側(cè)依次設(shè)置有鏡筒透鏡、電荷耦合器件CCD、圖像采集卡和計算機；第二分光鏡，參考面及顯微物鏡分別與壓電陶瓷傳感器相連。

所述的聚光系統(tǒng)包括有：依次設(shè)置的第一聚光鏡、第二聚光鏡、濾光片、孔徑光闌、第三聚光鏡、視場光闌、以及第四聚光鏡構(gòu)成。

所述的精密位移平臺包括有：二維的步進精密平臺和垂直方向上的手動位移平臺組成。

所述的二維的步進精密平臺由2個步進電機驅(qū)動控制。

所述的垂直方向上的手動位移平臺是通過手動螺旋測微器調(diào)節(jié)。

大視場物體微觀表面三維形貌的測量方法，包括有如下步驟：

1)將被測物放在載物臺上，精密位移平臺可帶動被測物在2維方向上進行精密移動。

2)開啟設(shè)備并進行調(diào)節(jié)，將光源發(fā)出的光束通過照明系統(tǒng)采取自準(zhǔn)直反射式方法均勻照明被測面和參考面；

3)對儀器進行調(diào)焦，將被測面和參考面形成的穩(wěn)定的清晰的干涉條紋通過顯微干涉成像系統(tǒng)成像到電荷耦合器件上；

4)打開壓電陶瓷傳感器開關(guān)，選擇閉環(huán)控制方式，選擇壓電陶瓷傳感器量程的一半作為初始位置，再次進行微調(diào)，使得此時干涉條紋對比度最佳；

5)根據(jù)光源波長和相移位相，確定每一步的相移量，在壓電陶瓷傳感器控制器的控制面板上輸入每一步的位移量，等壓電陶瓷傳感器移動穩(wěn)定后，進行干涉圖的采集；

6)多幅干涉條紋圖采集完成后，先觀察一下條紋圖的變化趨勢，如果正確，就可以進行下一步的操作。如果條紋圖中突然有干涉圖的移動方向的跳變或者消失，應(yīng)該重新進行干涉條紋圖的采集，此步獲得的實驗數(shù)據(jù)作為一個位置處的相移干涉圖；

7)通過精密位移平臺對被測面進行兩維方向的精密掃描，根據(jù)所需移動量，計算機控制精密位移平臺移動，等電控平移臺運行穩(wěn)定后重復(fù)第5、6步驟，進行另一位置的相移干涉圖的采集；

8)重復(fù)第7步驟，進行2維方向各位置的干涉圖的采集；

9)把壓電陶瓷傳感器的控制方式改為開環(huán)電壓控制，調(diào)節(jié)電壓到0V，等壓電陶瓷傳感器回復(fù)穩(wěn)定以后，關(guān)閉電源開關(guān)。關(guān)閉儀器的光源開關(guān)，導(dǎo)出實驗數(shù)據(jù)；

10)將采集到的多幅相移干涉圖經(jīng)過圖像濾波，去噪，圖像拼接，相位提取算法，解包裹處理，得到微觀表面的三維形貌。

所述的進行儀器調(diào)焦包括：觀察計算機中采集到的圖像，確定干涉條紋的對比度。

所述的由壓電陶瓷傳感器帶動顯微物鏡和參考面沿著光軸方向移動，包括打開壓電陶瓷傳感器控制器的開關(guān)，選擇閉環(huán)控制的位移傳感模式，并使這時的干涉條紋對比度最大。

所述的開始另一位置的相移干涉圖的采集，包括把壓電陶瓷傳感器的閉環(huán)位移回復(fù)到5μm處，開始采集第1幅的干涉圖，然后按照第4步的要求和順序接著進行相移干涉圖的采集。