一体化全自动同轴微观三维形貌测量装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术提出了一种一体化全自动同轴微观三维形貌测量装置包括：准直滤波单元、共光路微分干涉单元、自动移相单元、全自动控制单元、图像采集单元。采用LED低相干光源、抑制了相干噪声带来的影响，提高测量精度；将垂直滤波单元封装，减小了外界环境带来的干扰；通过电控旋转台和二维平移台实现装置的全自动控制，不仅可以减小手动移相带来的误差，而且可以快速测量大范围表面形貌；采用共光路结构设计、抗外界机械干扰能力强，使用LED光源等器件价格低廉，易于推广。

Integrated automatic coaxial micro 3D shape measuring device

The utility model provides an integrated and fully automatic coaxial micro three-dimensional topography measurement device, which includes the collimation filter unit, the common optical differential interference unit, the automatic phase shifting unit, the full automatic control unit and the image acquisition unit. The LED low coherent light source is used to restrain the influence of coherent noise and improve the measurement precision. The interference caused by the external environment is reduced by the vertical filter unit, and the automatic control of the device can be realized by the electronic control rotary table and the two-dimensional translation table, which can not only reduce the error caused by the manual shift, but also can be quickly measured. Large volume surface topography, common optical path design, strong mechanical resistance to external interference, and low cost of using LED light source are easy to popularize.

【技术实现步骤摘要】
一体化全自动同轴微观三维形貌测量装置
本技术属于微观测量
，具体涉及一种一体化全自动同轴微观三维形貌测量装置。
技术介绍
在光学测量法中，显微干涉法测量具有很大优势。显微干涉测量法从结构上可以分为分光路移相干涉和共光路干涉。现有的光学测量法中较为成熟的是白光干涉测量法，属于分光路干涉测量。白光干涉测量法虽然有着较高的测量精度，但是其造价较为昂贵，分光路干涉抗机械干扰能力较差。有学者提出了剪切移相干涉测量法，将激光光源通过双折射晶体分束产生两束有一定剪切量的线偏振光，这两束光在同一方向，并且有一定剪切量，经过物体表面反射后产生剪切干涉。剪切移相干涉测量法中使用激光光源在测量较为光滑的三维表面形貌时，其相干噪声对测量精度有很大影响。如专利文献1（中国专利公开号CN120679907A）公开了一种基于弱相干光源LED纳米级精度的微分干涉测量装置，通过积分相位提取算法，通过五步移相算法实现了三维定量测量。但是，在剪切移相干涉测量法中，激光光源在测量光滑表面形貌时，由于其具有很好的相干性，光束在光学元件中的杂质、缺陷、甚至空气中的尘埃散射的杂散光在接收屏上也会发生干涉，形成相干噪声，并且通过算法处理很难消除，严重影响了测量精度。而且，已有三维形貌测量装置中，大多数采用分光路设计，其对外界环境要求严格。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的问题，本技术提出了一种一体化全自动同轴微观三维形貌测量装置，具有高精度、不受相干噪声影响、稳定性和重复性好的优点。本技术具体通过如下技术方案实现：一体化全自动同轴微观三维形貌测量装置，包括：准直滤波单元、共光路微分干涉单元、自动移相单元、全自动控制单元、图像采集单元；其中，准直滤波单元包括：依次设置于第一光轴上的LED光源、聚焦透镜、针孔滤波器、准直透镜、硬膜干涉滤光片、起偏器以及可调光阑，将所述准直滤波单元封装为一个模块，在装置中不需要后续的光路调节，封装后光路不会受到外界环境的干扰；所述共光路微分干涉单元包括：依次设置于第二光轴上的消偏振分光棱镜、双折射单轴石英晶体、显微物镜和被测样品；自动移相单元包括：依次设置于第二光轴上的1/4波片、检偏器，所述检偏器安装在电控旋转台上，所述1/4波片靠近所述消偏振分光棱；所述第一光轴与第二光轴通过所述消偏振分光棱镜垂直连接；所述图像采集单元包括：成像镜头、工业相机；全自动控制单元主要由三轴控制器，精密电控二维平移台，电控旋转台、三维形貌重构软件构成；计算机与工业相机和三轴控制器相连，所述三轴控制器与精密电控二维平移台以及电控旋转台相连，通过计算机控制，实现被测样品的二维移动、干涉图采集、样品形貌恢复。进一步地，精密升降台固定在精密电控二维平移台上，被测样品置于所述精密升降台上。本技术的有益效果是：本技术的一体化全自动同轴微观三维形貌测量装置采用LED低相干光源、抑制了相干噪声带来的影响，提高测量精度；集成了垂直滤波单元，将其封装，减小了外界环境带来的干扰；通过电控旋转台和二维平移台实现装置全自动控制，不仅可以减小手动移相带来的误差，而且可以快速测量大范围表面形貌；采用共光路结构设计、抗外界机械干扰能力强，使用LED光源等器件价格低廉，易于推广。附图说明图1是本技术的一体化全自动同轴微观三维形貌测量装置结构图；图2是双折射单轴石英晶体示意图；图3是本技术的装置的工作流程图。具体实施方式为了使本技术的目的、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技术，并不用于限定本技术。本技术的结构请参阅附图1，主要包括：准直滤波单元1、共光路微分干涉单元4、自动移相单元3、全自动控制单元、图像采集单元组成。具体而言，准直滤波单元1包括：依次设置于第一光轴上的LED光源11、聚焦透镜12、针孔滤波器13、准直透镜14、硬膜干涉滤光片15、起偏器16以及可调光阑17，所述LED光源11发出的光经过聚焦透镜12、针孔滤波器13、准直透镜14、硬膜干涉滤光片15、起偏器16以及可调光阑17后形成平行于第一光轴传播的准直的均匀线偏振光束，将所述准直滤波单元封装为一个模块，在装置中不需要后续的光路调节，封装后光路不会受到外界环境的干扰。共光路微分干涉单元4包括：依次设置于第二光轴上的消偏振分光棱镜18、双折射单轴石英晶体19、显微物镜20、被测样品9。自动移相单元3包括：设置于第二光轴上的1/4波片21、检偏器22，检偏器22安装在电控旋转台上。所述线偏振光束通过所述双折射单轴石英晶体19被微分剪切成两束振动方向相互垂直的线偏正光照射在被测样品表面上，如附图2所示，样品表面的反射光经过所述消偏振分光棱镜18合成一束光，经过1/4波片21、检偏器22产生移相干涉后达到图像采集单元。图像采集单元包括：成像镜头23、工业相机2。全自动控制单元主要由三轴控制器，精密电控二维平移台，电控旋转台、三维形貌重构软件构成。计算机5与工业相机2和三轴控制器6相连，三轴控制器6与精密电控二维平移台7以及电控旋转台22相连，精密升降台8固定在位于光学平台10上的精密电控二维平移台7上，被测样品9置于精密升降台8上。电控旋转台是一个中通的旋转台，将检偏器固定在旋转台中间，用计算机5可以控制三轴控制器，从而实现自动移相，减小手动移相带来的误差。本技术的装置的工作原理：LED光源11发出的光经过准直滤波单元可以得到相干度较高、平行的线偏振光；线偏振光的方向和双折射单轴石英晶体的剪切方向成45度角；平行的线偏振光经过共光路微分干涉单元反射后，得到的相互垂直的线偏振光携带着被测样品表面信息；光线经过自动移相干涉，通过计算机5即可实现电控旋转台每次旋转45度，通过图像采集单元可以采集到五幅干涉图。然后利用五步相移法提取形貌相位信息，并通过解包裹算法得到连续相位，然后再通过形貌重构得出三维形貌图。基于本技术的一体化全自动微观形貌测量装置，其工作流程图请参阅附图3。首先在软件中输入所要测量的区域大小，并计算出要分割成多少块小区域，每一块小区域分别需要采集五幅干涉图，再计算出该区域三维形貌，计算完所有区域的形貌后，通过图像拼接和图像融合技术将这些小区域拼接在一起。三维形貌重构软件的算法可采样现有技术中的算法，如专利文献1中的算法，在这里就不再赘述。以上内容是结合具体的优选实施方式对本技术所作的进一步详细说明，不能认定本技术的具体实施只局限于这些说明。对于本技术所属
的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一体化全自动同轴微观三维形貌测量装置，其特征在于：所述装置包括：准直滤波单元、共光路微分干涉单元、自动移相单元、全自动控制单元、图像采集单元；其中，准直滤波单元包括：依次设置于第一光轴上的LED光源、聚焦透镜、针孔滤波器、准直透镜、硬膜干涉滤光片、起偏器以及可调光阑，将所述准直滤波单元封装为一个模块，在装置中不需要后续的光路调节，封装后光路不会受到外界环境的干扰；所述共光路微分干涉单元包括：依次设置于第二光轴上的消偏振分光棱镜、双折射单轴石英晶体、显微物镜和被测样品；自动移相单元包括：依次设置于第二光轴上的1/4波片、检偏器，所述检偏器安装在电控旋转台上，所述1/4波片靠近所述消偏振分光棱；所述第一光轴与第二光轴通过所述消偏振分光棱镜垂直连接；所述图像采集单元包括：成像镜头、工业相机；全自动控制单元主要由三轴控制器，精密电控二维平移台，电控旋转台、三维形貌重构软件构成；计算机与工业相机和三轴控制器相连，所述三轴控制器与精密电控二维平移台以及电控旋转台相连，通过计算机控制，实现被测样品的二维移动、干涉图采集、样品形貌恢复。

【技术特征摘要】
1.一体化全自动同轴微观三维形貌测量装置，其特征在于：所述装置包括：准直滤波单元、共光路微分干涉单元、自动移相单元、全自动控制单元、图像采集单元；其中，准直滤波单元包括：依次设置于第一光轴上的LED光源、聚焦透镜、针孔滤波器、准直透镜、硬膜干涉滤光片、起偏器以及可调光阑，将所述准直滤波单元封装为一个模块，在装置中不需要后续的光路调节，封装后光路不会受到外界环境的干扰；所述共光路微分干涉单元包括：依次设置于第二光轴上的消偏振分光棱镜、双折射单轴石英晶体、显微物镜和被测样品；自动移相单元包括：依次设置于第二光轴上的1/4波...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚勇，雷何兵，刘昊鹏，杨彦甫，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：新型
国别省市：广东,44