一种适用于大范围表面形貌测量的白光干涉仪制造技术

本发明专利技术公开了一种适用于大范围表面形貌测量的白光干涉垂直扫描测量仪系统，包括机械系统、光路系统、电路系统和软件系统。其中机械系统包括底座、XY向位移台、摆角器、Z向垂直扫描位移台、斜块、U型机构；光路系统包括光栅计量系统和白光干涉光路系统；电路系统包括步进电机驱动器、伺服电机驱动器、计量信号采样以及位移计算模块；软件系统包括测量软件和评定软件。本发明专利技术通过控制伺服电机匀速运动，光栅计量系统通过外触发计量，高速相机采集图像，最后用形貌恢复算法恢复试件的表面形貌，同时多个视场的测量结果用三维拼接算法拼接，能够保证表面形貌测量的准确，同时具备垂直水平测量范围大、测量效率高、测量过程简单等优点。

A white light interferometer for large scale surface topography measurement

The invention discloses a white light interference vertical scanning instrument system which is suitable for large scale surface topography measurement, which comprises a mechanical system, an optical path system, a circuit system and a software system. The mechanical system comprises a base, XY direction displacement table, swing angle, Z vertical scanning displacement table, inclined block, U mechanism; optical system including grating measurement system and white light interference optical system; circuit system including stepper motor drives, servo motor drive, measurement signal sampling and displacement calculation module; the software system includes the software measurement and evaluation software. The present invention controls the servo motor motion, grating measurement system trigger measurement through high speed camera, image acquisition, finally using morphology recovery algorithms to recover the surface topography of material, and the measured results of multiple view 3D mosaic algorithm stitching, can ensure the surface topography measurement accuracy, but also has the advantages of large measurement range, vertical level the measurement of high efficiency, simple measurement process etc..

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于表面形貌测量设备领域，更具体地，涉及一种适用于大范围表面形貌测量的垂直扫描白光干涉仪。
技术介绍
目前表面形貌测量的方法很多，按接触方式可以分为接触式与非接触式两种，其中接触式主要是采用的是机械接触式。非接触式测量又主要包括非光学式扫描显微镜测量法，如扫描电子显微镜与扫描探针显微镜，与光学测量法，如傅科刀口法，离焦法，光切法，反射法，干涉显微镜法,散斑法，偏振光法,散射法等。其中干涉显微镜法有相移干涉显微镜，共焦显微镜,白光干涉显微镜等方法。然而，进一步的研究和实践表明，上述表面形貌测量仪器至少存在以下的缺陷或不足：第一、现有仪器测量工件表面形貌效率很低，例如接触式测量方法扫描方式为点扫描，扫描时间长，扫描效率低，而面扫描或线扫描的光学测量方法其精密驱动大多为压电陶瓷驱动，驱动速度慢，效率低；第二、现有的白光干涉显微仪器测量表面形貌时受视场限制，水平测量范围很小，无法满足水平大范围表面形貌的测量；第三、操作复杂，需要对使用人员进行专业培训，测量过程繁琐。相应地，相关领域亟需开发出功能更为完善的表面形貌测量仪，以便有效解决以上问题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种适用于大范围表面形貌测量的白光干涉仪，其中结合表面测量自身的应用特点，对白光干涉仪关键组件的构造及其设置方式进行了设计，同时提出了一种三维拼接算法，能够有效克服现有技术中测量效率低、水平测量范围小和测量过程繁琐等问题，同时具备结构紧凑、高精度和低成本等优点。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种适用于大范围表面形貌测量的白光干涉仪，其特征在于，该白光干涉仪的物镜由伺服电机驱动，驱动的位移由光栅计量系统计量，物镜垂直扫描移动的同时高速相机快速捕捉干涉图案，然后利用形貌恢复算法将捕捉到的干涉图像恢复为被测试件的三维表面形貌，单个视场测量完成后，XY水平工作台移动，测量下一个视场，多个视场的测量结果用三维拼接算法拼接，得到大的水平范围的测量结果，其中：所述白光干涉仪系统主要包括两大核心部分：白光干涉模块部分与机械传动系统部分。其中白光干涉模块主要是通过各光学元器件的选型以及位置的确定，从而组合形成光学测量系统；机械传动系统部分主要包括垂直扫描机械传动系统和水平位移传动系统，前者通过驱动白光干涉模块整体或部分器件移动从而实现垂直方向的扫描过程，后者则是通过驱动被测对象在水平方向移动从而完成对被测对象整个测量面的测量过程。所述光栅计量系统对大范围位移进行精确计量同时补偿因伺服电机运动非匀速带来的误差，光栅运动导轨上固定一装置与精驱动垂直扫描系统面接触，采用光拍频干涉测量原理设计了一套基于反射光栅的位移计量系统。所述垂直扫描驱动采用了伺服电机加滚珠丝杠并配以减速斜块细分的方式，利用交叉滚子导轨进行导向，推动白光干涉模块在垂直方向上进行微位移。所述三维形貌软件的恢复算法，由相机CCD动态曝光下产生的干涉强度作为信号输入，实际是干涉相位在时间上的积分，属于连续相位移动变化。因此要在控制曝光位置的前提下，研究高速曝光时间和连续相位移动变化的关系，通过相位积分推导，得出光强的等效相位表达。同时，通过计量系统的精确定位下的等步距外触发，实现连续相位移动的均匀性，进一步通过对相位求解方法的研究，得到精密的表面形貌恢复结果。算法精度通过两方面来保证。一是不同曝光位置的等效相位在连续相移范围内的一致性。这一点可以通过控制曝光时间间隔内的扫描距离来实现，该距离越短，等效性越好，因此，需要在不同的测量效率要求下控制电机扫描速度和调整相机曝光时间相配合。二是计量外触发曝光间隔之间的距离的均匀性。所述三维拼接算法利用工件表面缺陷导致表面形貌恢复的三维图像中出现的噪音，将三维图像中的采样点区分为噪音点和非噪音点，为避免噪音点的影响，在特征匹配阶段，将噪音转化为可用特征，改善特征匹配的结果，最后减小噪音区域对数据融合的干扰，得到精度较高的三维拼接结果。作为进一步优选的，所述白光干涉光学系统，采用中心波长为633nm，额定功率为3w的led白光光源。物镜镜头选用Mirau型物镜，其放大倍数有10×，20×等多种可选。作为进一步优选的，所述垂直扫描系统采用的伺服电机的基本参数如下：额定电压18V，额定转速9140rpm，额定转矩28.1N·m。减速箱减速比为706:1，最大输入转速6000rpm，输出扭矩0.75至4.5N·m。丝杠导程为0.7mm，减速斜块减速比为11:1。作为进一步优选的，所述XY水平位移台由两个步进电机驱动，分别驱动X方向和Y方向两个水平方向。XY方向行程为50mm×50mm。作为进一步优选的，所述高速相机采集的图像，直接通过千兆网口连接计算机，同时所采集的图像数据存储在固态硬盘上。高速相机的帧率可以达到300f/s，只有固态硬盘的存储速度可满足相机图像数据的高速存储。作为进一步优选的，所述光栅计量系统采集的位移数据通过下位机DSP和FPGA处理后经USB口传输到上位机。垂直扫描的伺服电机配有专用驱动器，伺服电机的驱动命令由上位机通过USB口发送到下位机，经下位机处理器处理后发送到伺服电机驱动器的相应端口。XY水平驱动的步进电机的驱动命令也是通过USB口从上位机发送到下位机。附图说明图1为按照本专利技术优选实施例的大范围表面形貌测量的白光干涉仪结构线框图；图2是按照本专利技术优选实施例的大范围表面形貌测量的白光干涉仪的软件和硬件总体框架图；图3是按照本专利技术优选实施例的大范围表面形貌测量的白光干涉仪的高速连续垂直扫描和动态曝光形貌恢复流程图；图4是按照本专利技术优选实施例的大范围表面形貌测量的白光干涉仪的三维拼接流程图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-大理石底座、2-大理石立柱、3-Z向精驱动导轨、4-Z向精驱动支架、5-Z向粗驱动支架、6-Z向精驱动伺服电机、7-Z向粗驱动导轨、8-Z向粗驱动滑块、9-Z向粗驱动步进电机、10-U型机构、11-减速斜块、12-光栅计量位移传感模块、13-高速相机、14-白光干涉光路系统模块、15-Mirau物镜、16-XY水平位移台、17-摆角器。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于大范围表面形貌测量的白光干涉仪，尤其涉及可实现大范围、高速测量、精密表面形貌恢复的白光干涉仪，主要包括Z向粗驱动系统、Z向精驱动系统、光栅计量系统、白光干涉光路系统、XY水平位移摆角结构、大理石底座；所述Z向粗驱动系统与大理石立柱（2）固定，包括Z向粗驱动步进电机（9）、Z向粗驱动导轨（7）、Z向粗驱动导轨（7）上的Z向粗驱动滑块（8）以及与滑块（8）固定的Z向粗驱动支架（5）；大理石立柱（2）与大理石底座（1）固定连接，用于支承整个Z向粗驱动系统；Z向粗驱动导轨（7）与大理石立柱（2）固定连接，且安装有Z向粗驱动步进电机（9）；步进电机（9）输出的旋转运动，通过连接在其轴上的滚珠丝杠，转换为安装在丝杆上的Z向粗驱动滑块（8）沿Z向粗驱动导轨（7）的直线运动；Z向粗驱动支架（5）与Z向粗驱动滑块（8）固定，用于支承整个精驱动系统，由此使得固定在其上的精驱动系统整体在Z向粗驱动步进电机（9）的驱动下可沿Z向粗驱动导轨（7）运动；所述Z向精驱动系统与Z向粗驱动支架（5）固定，包括Z向精驱动伺服电机（6）、U型机构（10）、减速斜块（11）、Z向精驱动导轨（3）以及Z向精驱动支架（4）；Z向精驱动伺服电机（6）与Z向粗驱动支架（5）固定，并通过连接在其轴上的丝杠，将其输出的旋转运动转换为水平直线运动作用在减速斜块（11）上；减速斜块（11）与固定在U型机构（10）上的销钉线接触，将减速斜块的水平直线运动转换为U型机构（10）的Z向垂直直线运动，并将运动速度按减速斜块倾斜比例降低，实现了U型机构（10）的Z向的直线精密运动；同时Z向精驱动导轨（3）的移动部分、Z向精驱动支架（4）和U型机构（10）三者固定，因此U型机构（10）的Z向的直线精密运动即为Z向精驱动支架（4）以及与Z向精驱动支架（4）固定的白光干涉光路模块（14）的Z向的直线精密运动。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于大范围表面形貌测量的白光干涉仪，尤其涉及可实现大范围、高速测量、
精密表面形貌恢复的白光干涉仪，主要包括Z向粗驱动系统、Z向精驱动系统、光栅计量系
统、白光干涉光路系统、XY水平位移摆角结构、大理石底座；
所述Z向粗驱动系统与大理石立柱（2）固定，包括Z向粗驱动步进电机（9）、Z向粗驱动导
轨（7）、Z向粗驱动导轨（7）上的Z向粗驱动滑块（8）以及与滑块（8）固定的Z向粗驱动支架
（5）；大理石立柱（2）与大理石底座（1）固定连接，用于支承整个Z向粗驱动系统；Z向粗驱动
导轨（7）与大理石立柱（2）固定连接，且安装有Z向粗驱动步进电机（9）；步进电机（9）输出的
旋转运动，通过连接在其轴上的滚珠丝杠，转换为安装在丝杆上的Z向粗驱动滑块（8）沿Z向
粗驱动导轨（7）的直线运动；Z向粗驱动支架（5）与Z向粗驱动滑块（8）固定，用于支承整个精
驱动系统，由此使得固定在其上的精驱动系统整体在Z向粗驱动步进电机（9）的驱动下可沿
Z向粗驱动导轨（7）运动；
所述Z向精驱动系统与Z向粗驱动支架（5）固定，包括Z向精驱动伺服电机（6）、U型机构
（10）、减速斜块（11）、Z向精驱动导轨（3）以及Z向精驱动支架（4）；Z向精驱动伺服电机（6）与
Z向粗驱动支架（5）固定，并通过连接在其轴上的丝杠，将其输出的旋转运动转换为水平直
线运动作用在减速斜块（11）上；减速斜块（11）与固定在U型机构（10）上的销钉线接触，将减
速斜块的水平直线运动转换为U型机构（10）的Z向垂直直线运动，并将运...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷自力，刘晓军，李千，袁腾飞，卢文龙，
申请(专利权)人：襄阳爱默思智能检测装备有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42