[發明專利]光針式共光路干涉共焦位移測量裝置與方法

有效

• 申請號: 202110540897.7
• 申請日: 2021-05-18
• 公開（公告）號: CN113218312B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 黃向東;譚久彬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01B11/24;G01B9/02015
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 李長春

光針式共光路干涉共焦位移測量裝置與方法，屬于超精密三維測量技術領域。本發明將激光干涉技術與共焦顯微測量技術相結合，提出了利用環形反射鏡分光構建單臂干涉測量結構；同時根據干涉、共焦測量原理，提出了采用變區域光強采集方法，可消除由于共焦測量系統與干涉測量系統共光路而引入的信號耦合的影響；此外，通過差、比數據解算方法獲得準確的位移值，可同時消除系統中的共模加性和乘性噪聲。本發明可有效提高系統的測量準確性和測量穩定性，適用于具有大臺階、高深寬比的微結構幾何參數和粗糙表面三維形貌測量，應用前景廣泛。

技術領域

本發明涉及超精密三維測量領域，具體涉及一種可實現大量程、高分辨力的光針式共光路干涉共焦位移測量裝置與方法。

背景技術

隨著納米科技的進步，人類正朝著更精細的微觀領域不斷邁進。微結構功能表面已被廣泛應用于微光學元件、微機電元件以及飛行器制造等許多產業，對其制件表面形貌和結構特征尺寸的超精密測量，市場需求量巨大，如硅晶加工中幾何特征和膜厚的檢測，表面仿形和紋理結構測量以及光電產品中大型微細結構功能表面加工測量等。在這些領域中，干涉測量技術和共焦顯微測量技術都得到了充分的應用。移相干涉技術測量精度高，但測量范圍小且易受環境干擾影響，難以測量大臺階和高深寬比的微結構；共焦顯微測量技術具有獨特的三維層析能力，可以實現在較大范圍內測量，但其測量精度受限于物鏡數值孔徑。

為了克服環境振動、實現大范圍高精度測量，將移相干涉技術與共焦顯微技術結合起來，利用共焦顯微技術的零點特性和干涉信號的周期特性，可完成對非連續微結構表面的形貌測量。文獻《大臺階高度測量的外差共焦方法》(中國激光，2005)提出一種雙頻激光外差干涉共焦顯微系統，通過Z向位移掃描的方式確定共焦光強最大值，然后利用雙頻激光干涉儀的相位值確定表面高度。整個系統實現了大臺階測量中的高分辨力和大量程，但是該方法受限于Z向掃描機構的精度和掃描范圍，同時系統結構復雜不利于抑制干擾。文獻《同步移相干涉共焦顯微成像技術研究》中提出了一種利用偏振分光鏡實現同步移相干涉共焦的測量結構，通過四路光強探測器信號解算可在較大范圍內，實現納米級的測量分辨力。但是該系統較為復雜，裝調難度高；同時干涉測量系統與共焦顯微系統共用同一光強信號，在位移信號解算時會產生相互干擾。專利《分瞳式移相干涉共焦微位移測量裝置》(專利公開號：ZL201610317208.5)提出利用二維光柵和四象限偏振移相、移焦陣和軟針孔陣列將四路干涉共焦光路集成，在實現高精度絕對位置測量的同時，簡化了系統結構，解決了系統調整困難的問題。但由于仍采用邁克耳遜干涉光路結構，參考臂與測量臂分開導致抗干擾能力存在不足，且不利于小型化；另一方面，干涉分系統與共焦分系統仍共用同一光強信號，存在信號耦合效應，影響測量的準確性。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，其目的在于提供一種光針式共光路干涉共焦位移測量裝置與方法，該裝置具有抗干擾能力強、分辨力高、測量范圍大和集成度高的特點，同時可去除干涉與共焦分系統之間的信號耦合效應，實現對非連續表面微結構的三維準確測量。

為達到上述目的，本發明通過以下的技術方案實現：