[发明专利]共焦测量系统及其测量方法

说明书

本发明提供一种共焦测量系统及测量方法，共焦测量系统通过位置测量单元中的差动共焦测量组件进行位置距离的测量；通过在差动共焦光路的基础上，加入角度测量单元进而构建测角光路，实现对测量位置的同时进行倾斜角度的测量。本发明所提供的技术方案解决了现有技术中差动共焦显微测距的同时不能测倾斜角度的问题。光学系统的光路简单易于实现。角度测量组件分光测角光路结构简单，成本低。实现了在差动共焦测距的同时，获取待测位置倾斜角度信息，在光学形貌测量，尤其在对微小表面缺陷识别中精度更高。

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种共焦测量系统及其测量方法。

背景技术

伴随着科技的蓬勃发展，超精密加工等纳米级技术的兴起，对超精密检测的精度提出了新的挑战。亚微米级甚至纳米级的测量精度要求，使得传统的接触式测量技术因为实时性较差，容易损坏测量元件，响应频率较低等缺陷无法胜任。

现阶段光学领域的超精密测量方法中，基于共焦显微原理的技术研究已经非常成熟，但也存在不小的缺陷，光源功率波动、杂散光掺杂等因素会极大的影响测量精度，同时所测得共焦响应信号具有强度依赖和位置模糊的局限性。由此，所衍生出的差动共焦显微光学系统在充分利用共焦显微技术所特有的轴向响应的基础上，能够实现更为精准的焦点定位，兼有灵敏度高，线性范围大等优点，同时能降低噪声的干扰和测量不确定度。然而，当加工表面倾斜，即测量表面上某点的法线与探针所发出的准直光束的轴心线并不重合时，返回光束无法原路返回时，共焦轴向响应信号会受到一定影响，同样差动共焦显微光学系统最终所得的聚焦误差信号也面临着相同的问题，从而极大的影响了检测精度，而在这方面的分析研究上，目前国内外的理论与技术仍比较欠缺。因此，在基于共焦显微原理进行超精密测量时，必须考虑对在被测表面在不同倾斜角度下通过校准进行校正，以补偿分辨率，线性范围等的变化。

光电自准直仪在超精密测量领域中的地位是无可替代的，能够实现以线性位置测量的方式来对小角度进行测量。同时，伴随着CCD 与PSD的出现，自准直仪中的核心部件光电探测器也不再由二极管来承担，能够满足高精度、高分辨率、测量范围大、动态性能好、便携性高等优点。但现有的光电自准直仪只能测出水平表面整体倾斜角度的大小，无法实现扫描待测表面每一点具体的距离位置，也同时无法得到每一点处法向倾斜角度的大小。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提出了共焦测量系统及测量方法。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供一种共焦测量系统，包括激光光源、第一分束镜、第二分束镜、聚焦透镜、位置测量单元和角度测量单元；其中，

所述位置测量单元为差动共焦测量组件；

所述角度测量单元包括第三分束镜、第一柱面镜、第一线阵探测器、第二柱面镜和第二线阵探测器；

所述激光光源发出的光束经所述第一分束镜分束透射至所述聚焦透镜进行聚焦，聚焦后的光束入射至待测物表面，经所述待测物表面反射后穿过所述聚焦透镜后，入射至所述第一分束镜，经所述第一分束镜反射至所述第二分束镜进行分光，一部分光束被透射作为角度测量光束入射至所述角度测量单元进行角度测量，另一部分被反射作为位置测量光束入射至所述位置测量单元进行位置测量；

所述角度测量光束入射至所述第三分束镜进行分光，透射光束作为第一角度测量光束依次入射至所述第一柱面镜和所述第一线阵探测器，反射光束作为第二角度测量光束依次入射至所述第二柱面镜和第二线阵探测器，采集所述第一线阵探测器和所述第二线阵探测器的数据，通过对所述数据进行分析，进而获取所述待测物的倾斜角度信息；

所述差动共焦测量组件根据差动共焦测量法获得待测物的位置信息；

结合所述位置信息和所述倾斜角度信息，同时获取所述待测物的面型信息和倾角信息。