一种多探针平面度检测仪及其检测方法技术

本发明专利技术公开了一种多探针平面度检测仪及其相应的检测方法，该检测仪包括测量探针阵列、测量物镜、干涉显微镜、CCD成像装置、垂直扫描工作台和水平工作台，其中干涉显微镜和CCD成像装置设置在垂直扫描工作台上，分别用于形成光的干涉条纹和干涉条纹的成像；测量探针阵列包括多个探针，这些探针各自的前端具有探针针尖，后端具有平面反射镜；测量物镜固定安装在干涉显微镜下部并处于探针平面反射镜上方，用于对光线进行汇聚；水平工作台设置在测量探针阵列下方用于放置被测样品。按照本发明专利技术，能够实现多探针同时测量，充分利用光干涉的高精度特性并有效避免测量时被测表面材料光学性能的影响，相应能够实现结构简单、测量精度高和成本低的效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于平面度检测
，更具体地，涉及一种基于光干涉原理的多探针平面度检测仪及其相应的平面度检测方法。
技术介绍
平面度检测是高质量平面加工过程中的一个重要环节。对于大型零件而言，其平 面度检测方法一般包括电子水平仪-跨桥法、三点支撑法和三坐标测量法等几种基本形式。这几种方法的分辨率一般只有微米级，可以满足大型零件的检测要求。但是随着超精密加工技术的发展，对较小零件的平面(如被检平面只有几十毫米乘以几十毫米)，其平面度检测要求比上述大型零件的检测要求更高。因此，必须采用不同的方法来检测。由于光学测量具有非接触、无损伤和测试精度高等特点，因此可将其应用于平面度的检测。光学检测法主要包括激光散射法、散斑法、相移干涉法等。相比激光散射法和散斑法，相移干涉法的检测精度要高得多，因此相移干涉法多应用于对平面度检测具有更高要求的领域。中国专利技术专利文献CN102109331A利用激光束和位置传感器来检测平面度，解决了大平面、圆环和非连续平面的平面度测量问题。但是，该文献所介绍方法的精度只有微米级，没有充分利用激光的干涉原理来提高测量精度，因此也不适用于较小平面的高精度平面度检测要求。此外，若被测表面的反射性较差，或者被测表面的材料特性未知，将会导致难以确定的光波波长损失，采用光学检测法实施非接触测量时将会得到不准确的测量结果O中国专利技术专利文献CN101055172A提供了一种体积较小，结构简单的平面度及平行度测试系统，可解决上述因非接触带来的测量不确定性问题。但是，由于此文献中所采用的检测传感器为千分表，其测量精度也只有微米级，同样也不适用于较小平面的高精度平面度检测要求。因此，现有的平面度检测仪器主要存在两个方面的问题(I) 一般的测量方法检测精度低，不能满足高精度表面平面度的测量；(2)精度高的测量方法的检测精度受到被测表面材料的光学性能的影响，若被测表面材料未知，则难以实现高精度表面平面度的测量。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于光干涉原理的超精密多探针平面度检测仪及其相应的检测方法，其具有结构简单、能多探针同时测量，充分利用光干涉的高精度特性并能有效避免非接触测量受限于被测表面材料的光学性能的影响，以及测量精度高和成本低的特点。按照本专利技术的一个方面，提供了一种多探针平面度检测仪，该检测仪包括测量探针阵列、测量物镜、干涉显微镜、CCD成像装置、垂直扫描工作台和水平工作台，其特征在于:所述干涉显微镜和CXD成像装置通过连接套筒固定在所述垂直扫描工作台上并随着垂直扫描工作台的上下移动而移动，其中干涉显微镜处于连接套筒的下部用于形成光的干涉条纹以便对被测样品的平面度执行检测，CCD成像装置处于连接套筒的上部用于对所产生的干涉条纹进行成像显示；所述测量探针阵列包括多个探针，这些探针安装在同一支撑轴上并可绕着支撑轴转动，各个探针的前端具有用于与被测样品表面相接触的探针针尖，后端具有平面反射镜;所述测量物镜固定安装在所述干涉显微镜的下部并处于所述测量探针后端的平面反射镜上方，用于对来自干涉显微镜的光或由所述平面反射镜反射的光进行汇聚；所述水平工作台设置在所述测量探针阵列下方，用于放置被测样品。通过按照本专利技术的多探针平面度检测仪，由于采用干涉显微镜基于光的干涉原理来形成干涉条纹，并通过该干涉条纹来计算平面度，因此可实现对被测样品表面微小高度差的精确测量。此外，由于采用了安装在同一支撑轴上的多个探针同时来对被测样品表面进行探测，这样从干涉显微镜发出的光会被多个探针的后端各自具备的平面反射镜共同反射，由测量物镜会聚后返回干涉显微镜内并同干涉显微镜内固有的分光镜所分出的一部分光所汇聚，由此形成了多个能够反映被测样品表面状况的干涉条纹，相应地，一方面可较大幅度地提高测量精度，另一方面能够尽可能避免部分探针受到被测样品表面光学性能的不利影响，由此减少测量误差的产生。作为进一步优选地,所述测量探针阵列包括九个探针,这九个探针在其中部依次以相等间距安装在所述支撑轴上，各个探针后端的平面反射镜到支撑轴的距离相等，并且各个探针前端的针尖在水平面上的投影形成三行乘三列的均匀分布阵列。通过将测量探针阵列设置为包括九个探针的阵列式分布而且各个探针后端的平面反射镜到支撑轴的距离相等，可以通过调节垂直扫描工作台以在CCD成像装置中形成九簇清晰的干涉条纹，并通过这些干涉条纹之间的间距改变而获得更为精确的平面度测量数值；此外，相等间距并以阵列式分布的探针使得它们与被测样品表面之间的接触点保持为均匀分布，这样在提供均匀分布的干涉条纹的同时还便于执行对所获得干涉条纹的取样和评定，从而进一步提闻测量精度。作为进一步优选地，对于所述探针针尖在水平面上所形成的三行乘三列的均匀分布阵列，该阵列的间距为IOmm 25mm。通过对各个探针针尖在水平面上所形成的分布阵列的间距进行以上具体限定，一方面能够保证各个探针针尖之间不相互发生安装干涉，另一方面便于确保检测过程中各个针尖同时与被测样品表面相接触，由此进一步提高平面度检测的精度。作为进一步优选地，所述干涉显微镜包括光源、分光镜、参考物镜和反射镜，其中光源用于产生和发射光，分光镜用于将光源所发出的光分成两束即射向所述测量物镜的光束和射向参考物镜的光束，所述参考物镜用于对经过分光镜分光后射来的光束进行汇聚，所述反射镜用于将经过参考物镜会聚后的光束 执行反射，从而与射向测量物镜并由探针后端的平面反射镜所反射返回的光束相汇聚由此产生干涉条纹。按照以上构思的干涉显微镜结构，能够以简单的结构实现对检测光线的分光、汇聚和干涉条纹的产生，并被CCD成像装置所接收，由此能充分利用光干涉的高精度特性来实现对样品平面度的检测。作为进一步优选地，所述干涉显微镜的光源所发出的是白光或激光。由于采用白光或激光作为光源来实现光的干涉，CCD成像装置所接收的信号为白光或激光干涉条纹，这样可以通过简单的光源形式即可执行平面度检测，并便于操作及更换光源。作为进一步优选地，所述水平工作台包括设置在工作台面一侧的一个固定支承和设置在工作台面另外一侧的两个可调支承，并具有用于使水平工作台整体沿着X轴方向移动的X向移动调节装置和用于使水平工作台整体沿着Y轴方向移动的Y向移动调节装置。通过对水平工作台设置以上的支承结构，可以在测量进行之前，通过调节可调支承及其与固定支承之间的配合来确保被测样品水平地处于工作台上以备测量，由此可充分利用白光干涉测量方法的高分辨率，并减少垂直工作台垂直扫描的行程；此外，由于水平工作台配置有X、Y轴两个方向的移动调节装置，这样可以便利地移动及调节水平工作台及工作台面上的被测样品，由此使探针与被测样品的不同区域相接触并得出平面度相关信息。作为进一步优选地，所述多探针平面度检测仪还包括分别与所述垂直扫描工作台和CCD成像装置相连的计算机测控系统，该计算机测控系统用于控制所述垂直扫描工作台的上下移动，并对所述CCD成像装置形成干涉条纹予以显示输出及通过后置处理计算出对应的平面度。通过对按照本专利技术的多探针平面度检测仪配置计算机测控系统，可实现对整个平面度检测过程的自动化操作，并便于根据干涉条纹来快速计算及输出有关被测样品的平面度数据，由此提高工作效率。按照本专利技术的另一方面，还提供了相应的平面度检测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王生怀，卢文龙，谢铁邦，陈育荣，常素萍，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：