[发明专利]表面三维形貌非接触测量仪

说明书

本发明属光学测量仪器，用于测量表面微观几何形貌及粗糙度。

目前，用于非接触测量表面形貌的仪器是美国WYKO生产的TOPO-3D型光学显微镜，专利号为US    4639139。该测量的光学原理见图1。从光源（1）发出的光束透过显微物镜（2）和参考玻璃板（3）后，被分光板（4）分成两路，一路透过分光板后由被测面（5）反射，再次透过分光板和参考板，经物镜后投射到仪器视场中，另一路反射光束投射到参考板上，经反射通过分光板，再经分光板反射到显微镜视场中，与第一路光会合发生干涉。上述系统中的参考玻璃板被固定在压电陶瓷（6）上，用计算机控制压电陶瓷的移动以驱动参考板以恒速率转动，则干涉光强以余弦形式变化。利用CCD光电面阵探测器接收图象，根据干涉相位，计算出表面形貌。该系统中，存在下列不足之处：①在显微镜前安置了分光板和参考板，因而使物镜与被测表面之间的距离加大，只能使用较低放大倍数的物镜降低了系统的横向分辨率。②在高精度情况下，压电陶瓷的移动不仅难于控制，而且其非线性、滞后和老化等问题，对移相精度影响较大。③测量光束和参考光束经过不同的路径，因此外界干扰对两束光的影响不同，使干涉光强对机械振动和温度变化的影响较为敏感，所以这种系统难于在工作现场中使用。④系统必须使用参考镜，由于参考镜并不是理想平面，因此其误差会直接影响表面形貌测量结果。

本发明的目的是对已有的非接触表面形貌测量仪器作出改进。为了能够测量精密表面，本发明对已有光路进行改进，在显微物镜后进行分光就可使用高放大倍数的显微物镜来提高系统的横向测量分辨率。提高移相器件的移相精度，并简化移相装置的结构。本发明的另一目的是，使仪器对机械振动和温度的影响不灵敏，能用于工作现场，系统中除去标准参考反射镜，以消除参考镜误差对测量结果的影响。

附图说明：

图1.已有技术光学原理图。

图2.本发明原理图。

图3.表面三维形貌非接触测量系统图。

下面结合附图详细介绍本发明内容。

图2为表面形貌非接触测量仪的光学原理图。从光源（9）发出的光由起偏器（10）变成线偏振光后进入诺马斯基分光棱镜（11），它将入射的线偏振光分为两束具有微小夹角，并且振动方向相互垂直的线偏振光。两束光通过物镜（12）后产生一平行的剪切量△X。这两束光被样品表面（13）反射后经原路返回，由诺马斯基棱镜重新复合共线，然后再穿过1/4波片（14）和检偏器（15）发生干涉，干涉场的光强信号由光电面阵测器（17）进行接收。通过目镜（16），可直接观察干涉图象。

干涉场中任一点的光强为：

I（x，y）＝I_A+I_BSin[2θ+φ（x，y）] （1）

式中I_A为直流光强，I_B为交流光强，θ为检偏器通光轴与诺马斯基棱镜剪切方向的夹角，φ（x，y）为表面形貌h（x，y）引起的干涉相位差。

φ（x，y）＝（4π/λ）·△X·[h（x，y）]/x （2）

式中λ为光波波长，△X为两束干涉光的横向剪切量。

在这个系统中，两相干光束间的相位差与检偏器的方位角θ成线性关系。当检偏器方位角随时间作线性变化时，干涉场上各点的亮度随时间作正弦变化，这个正弦信号的相位就是被测相位φ（x，y）。

用计算机控制检偏器旋转，使θ分别为0，π/4，π/2，3π/4，则对应的干涉光强为：

I₁（x，y）＝I_A+I_BSinφ（x，y）

I₂（x，y）＝I_A+I_BCosφ（x，y）

I₃（x，y）＝I_A-I_BSinφ（x，y）

I₄（x，y）＝I_A-I_BCosφ（x，y）

于是可解出：

φ(x,y)=arc tg (I₁(x,y)-I₃(x,y))/(I₂(x,y)-I₄(x,y))