抗振动态干涉测量仪制造技术

本实用新型专利技术涉及一种抗振动态干涉测量仪，其由干涉光学系统、光电探测器与滤波鉴相系统构成，对被检测物体进行光学干涉测量。其干涉光学系统包括光路及移相装置；滤波鉴相系统包括同步移相控制电路与信号处理电路。本实用新型专利技术提供的测量仪可在恶劣环境下进行在线测量，只需一幅干涉图就能得出测量结果，不降低ＣＣＤ的分辨率，对测量环境没有特别要求，具有抗干扰能力强、测量精度高、性噪比高、分辨率高、测量时间短等特点。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及用以实时求出被检测表面形貌的光学干涉测量系统，特别是涉及用于动态表面形貌检测的动态干涉测量系统。具体来说，本技术涉及一种抗振实时干 涉测量仪，消除了时域干涉测量仪的外界干扰及移相器引入的误差。
技术介绍
在光学元件生产、集成电路硅片表面加工、生物医学、精密制造等领域中，表面形 貌对器件的性能、成品率、寿命等有重大影响，甚至影响人体健康。近几年，在制造业生产线 中移动的被检测物体，以在线(实时)状态进行光学干涉测量的需求正在逐渐增高。如用 于液晶显示器或等离子体显示器等薄膜材料的制造、硅片加工等进行在线测量，并将测量 结果反馈到制造条件的控制。因此，在生产过程中承担着极其重要的检验任务，特别是在大 尺寸高精度器件检测中尤其如此。目前，作为表面形貌检测方法主要有传统移相法、4D干 涉法。传统移相法主要是步进移相法和连续移相法。步进移相法精度高、灵敏度高、速度快 等优点，但极易受外界振动的影响，且精确移相控制难(Joanna Schmit，Florin Muntea皿. Limitations of iterative leastsquares methods in phase shifting interferometry in the presence ofvibrations Proc. SPIE， 2005， 5965 :0z_l 0z_ll)。连续移相f去 主要有正弓玄移相法(0. Sasaki ，H. Okazki. Sinusoidal phase modulating interf erometry forsurface profile memeasu- memeasur-ement . Appl. Opt. ， 25 (18) ， 1986 ;何国田，物 体表面形貌纳米精度的实时干涉测量装置及其测量方法，专利200710037264. 4)，该方法 移相简单、精度高、信噪比高等优点，但移相存在非线性误差，易受外界振动影响，需要高速 CCD等问题。 由上述可知，外界振动对测量产生的影响是造成干涉仪与被测元件之间产生相 对位移的原因。因此，只要在一个振动周期内完成量测，就能消除其影响。美国4D公司近 年推出4D干涉测量方法，正是基于这样的思想形成的。该方法利用光的偏振特性，设计出 特制的掩模板(定向微偏振片阵列)，采用空间移相技术得出相邻4个像素相位彼此相差 n /2，达到4步移相目的，即一幅干涉图即可得出测量结果。具有抗振、实时检测的优点，适 合于恶劣环境下的测量。但存在分辨率降低等问题；通过算法提高分辨率，又增加了测量时 间。
技术实现思路
为了克服上述不足，本技术提供一种可在恶劣环境下进行在线测量的滤波鉴 相式抗振动态干涉测量仪，只需一幅干涉图就能得出测量结果，不降低CCD的分辨率，对测 量环境没有特别要求，具有抗干扰能力强、测量精度高、性噪比高、分辨率高、测量时间短等 特点。 本技术采用的技术方案如下 为了解决上述问题，在本技术提出一种抗振动态干涉测量仪，仅在探测器容许的曝光时间内拍摄一帧干涉图，得到瞬间被检测物体的相位信息图。本测量仪(如图l所 示)由干涉光学系统、光电探测器与滤波鉴相系统构成，对被检测物体进行光学干涉测量。 其干涉光学系统包括光路及移相装置；滤波鉴相系统包括同步移相控制电路与信号处理电 路。 所述光学系统包括光源、分束器、准直扩束镜、参考镜、被测物体、光阑、透镜，所述 光源、分束器、准直扩束镜、参考镜、被测物体、光阑、透镜和光电探测器依次置于光路中，在 参考镜背面固定移相装置 所述光源发出的光依次经过分束器、准直扩束镜、参考镜、移相装置后投射到被测 物体表面上后，其反射光透过参考镜与参考镜前表面的反射光相遇发生干涉，干涉信号经 准直扩束镜、分束器、参考镜、透镜投射到光电探测器的光敏面上将其转换成电信号； 所述光电探测器连接信号处理电路，将电信号输入信号处理电路滤除其正弦调制 信号，获得被测量物体的表面形貌； 所述同步移相控制电路由信号源、分频器、脉冲发生器、正弦信号源、合成器、直流源、电压放大器构成；信号源连接分频器，经N分频后输出二路， 一路连接脉冲发生器，形成窄脉冲，再与光电探测器相连，控制光电探测器的曝光时间；另一路连接正弦信号源，控制正弦信号源产生的正弦信号，正弦信号源与直流源连接合成器，使正弦信号与直流源的直流在合成器中合成后，再连接电压放大器，电压放大器最后连接移相装置，放大驱动移相装置作移相操作，达到正弦移相目的； 所述信号处理电路完成放大、乘法、滤波运算。 在本技术的技术方案中，用三个PZT构成移相器推动参考镜Reference沿光 轴方向作正弦运动。使得仪器的结构紧凑、移相简单。配合脉冲发生器，将正弦信号经脉冲 发生器进行整形，形成控制CCD曝光时间的快门信号，其曝光时间小于100 i！ s。外界振动、 空气振动等干扰小于300Hz，在如此短的时间内，干扰无法叠加到干涉信号中去，从而实现 消除外界干扰的目的。高精度低通多阶滤波电路的截止频率小于100Hz，不受移相器非线性 误差影响，且消除了高频干扰。因此，本干涉仪抗振性能强，移相与结构简单，不会降低CCD 的分辨率，测量速度快，精度高，具有良好的应用前景。附图说明图1为抗振实时干涉测量仪的结构框图； 图2为同步移相控制电路及信号处理电路框图。具体实施方式为进一步说明本技术的上述目的、技术方案和效果，以下通过实施例结合上 述各图对其进行详细的描述。请先参阅图1所示，它是一抗振的Fizeau干涉测量装置。 其中以激光器Laser为光源l，它和分束器1、准直扩束镜3、参考镜4、移相装置 5 (PZT1、 PZT2、 PZT3)、被测物体6、光阑7、透镜8、 CCD光电探测器9依次置于光路中。 激光器发出的光依次经过分束器2、准直扩束镜3、参考镜4后投射到被测物体6 表面上后，其反射光透过参考镜4与参考镜前表面的反射光相遇发生干涉。干涉信号经准 直扩束3、分束器2、光阑7、透镜8投射到CCD光电探测器9的光敏面上，将其转换成电信号。该电信号经信号处理电路滤除其正弦信号，即得到被测量物体的表面形貌。同步移相 控制电路产生的正弦信号控制光电探测器的曝光时间(如图2所示)。 所述光源1为相干光源或低相干光源，如He-Ne激光器或SLD光源。 所述分束器2为一半透半反光学器件。 所述准直扩束镜3为一透镜组。 所述参考镜4为一高精度平面镜，背面粘贴三个PZT(成60°排列)，三个压电陶 瓷(PZT)构成移相装置5。 所述的移相装置是由三个压电陶瓷器件PZT构成，成60°排列固定在参考镜4背 面，推动参考镜4沿光轴方向作正弦运动，对干涉信号相位进行调制。 所述被测量物体6为一玻璃镜面。 所述的光阑7为一可调光阑。 所述的透镜8为一成像透镜，将干涉条纹成像在CCD光敏面上。 所述的光电探测器9是一 CCD照像机或光电阵列(分辨率100万像素，帧频30帧/秒)。干涉信号为 S(x， y， t) = S,S。cos (1) 其中S工为干涉信号直流分量，S。为干涉信号交流分量的振幅。z = 4 Ji a/ A为正弦相位调制深度，A为激光的波长。a。为两干涉臂的初始相位差本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗振动态干涉测量仪，其包括干涉光学系统、光电探测器与滤波鉴相系统；所述干涉光学系统包括光路及移相装置；滤波鉴相系统包括同步移相控制电路与信号处理电路；其特征在于：其中所述光学系统包括光源（１）、分束器（２）、准直扩束镜（３）、参考镜（４）、被测物体（６）、光阑（７）、透镜（８），所述光源（１）、分束器（２）、准直扩束镜（３）、参考镜（４）、被测物体（６）、光阑（７）、透镜（８）和光电探测器（９）依次置于光路中，在参考镜（４）背面固定移相装置（５）所述光源（１）发出的光依次经过分束器（２）、准直扩束镜（３）、参考镜（４）、移相装置（５）后投射到被测物体（６）表面上后，其反射光透过参考镜（４）与参考镜前表面的反射光相遇发生干涉，干涉信号经准直扩束镜（３）、分束器（２）、参考镜（４）、透镜（８）投射到光电探测器（９）的光敏面上将其转换成电信号；所述光电探测器（９）连接信号处理电路，将电信号输入信号处理电路滤除其正弦调制信号，获得被测量物体的表面形貌；所述同步移相控制电路由信号源（１００１）、分频器（１００２）、脉冲发生器（１００５）、正弦信号源（１００３）、合成器（１００４）、直流源（１００６）、电压放大器（１１）构成；信号源（１００１）连接分频器（１００２），经Ｎ分频后输出二路，一路连接脉冲发生器（１００５），形成窄脉冲，再与光电探测器（９）相连，控制光电探测器的曝光时间；另一路连接正弦信号源（１００３），控制正弦信号源产生的正弦信号，正弦信号源（１００３）与直流源（１００６）连接合成器，使正弦信号与直流源的直流在合成器（１００４）中合成后，再连接电压放大器（１１），电压放大器（１１）最后连接移相装置（５），放大驱动移相装置作移相操作，达到正弦移相目的；所述信号处理电路完成放大、乘法、滤波运算。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何国田，曾智，马燕，伍瑜，曾毅，
申请(专利权)人：重庆师范大学，
类型：实用新型
国别省市：85[中国|重庆]