專利名稱：二維和三維一體化成像測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二維和三維一體化成像測量系統(tǒng)，尤其涉及微零件結(jié)構(gòu)的二維幾何參數(shù)測試，MEMS、IC和光學(xué)微器件的加工、質(zhì)量和表面形貌的檢測，以及生物組織醫(yī)學(xué)測量。
背景技術(shù)：
近年來，隨著半導(dǎo)體、MEMS, 1C、光學(xué)微器件以及納米科技等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，如何在最短的時(shí)間內(nèi)完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工和檢測，已成為業(yè)內(nèi)一個(gè)重要的課題。目前國內(nèi)外精密加工制造的技術(shù)不斷進(jìn)步，使得許多微光學(xué)、微電子、微半導(dǎo)體產(chǎn)品的規(guī)格達(dá)到微納米的級別，因此檢測技術(shù)成為決定產(chǎn)品的質(zhì)量和市場競爭力的關(guān)鍵因素。在所有檢測技術(shù)中，光學(xué)非接觸式測量在近年來深受歡迎，因其優(yōu)點(diǎn)在于光束可以被聚焦物鏡聚焦的極小，避免了傳統(tǒng)的接觸式探頭對探頭半徑的補(bǔ)償；由于沒有接觸應(yīng)力，不會對被測物產(chǎn)生破壞；測量速度非?？?，不必像接觸式探頭進(jìn)行逐點(diǎn)掃描。在應(yīng)對二維影像測量方面，日本中央精機(jī)、日本尼康、美國Navitar、美國 MotionX、加拿大WDI等公司，開發(fā)出了具有自動(dòng)對焦功能的顯微鏡二維影像測量系統(tǒng)；英國Taylor Hobson、美國Veeco、美國Zygo、德國Polytec等公司開發(fā)出了針對非接觸式表面微形貌測量的白光干涉光學(xué)輪廓儀，并提供不同倍率的Michelson和Mirau型干涉顯微物鏡；L. Vabre等人和A. Dubois等人采用Linnik干涉結(jié)構(gòu)得到了生物組織的全場斷層影像Jihoon Na等人利用基于Linnik干涉結(jié)構(gòu)的低相干光全場斷層掃描技術(shù)測得了透明介質(zhì)的厚度和折射率；K. Wiesauer等人利用偏振干涉測量技術(shù)測量并繪制了透明介質(zhì)的內(nèi)部應(yīng)力和雙折射Johannes F. de Boer等人利用偏振式低相干光全場斷層掃描技術(shù)測量了由于燒傷而造成的皮膚組織的雙折射變化；這些尖端測量技術(shù)在各自的應(yīng)用領(lǐng)域取得了不俗的成果。但是在同時(shí)應(yīng)對多種測量要求和面對各種不同的被測樣本的時(shí)候，這些技術(shù)都會遇到一定的局限性，例如自動(dòng)對焦功能的顯微鏡二維影像測量系統(tǒng)無法得到表面三微形貌；由于Michelson和Mirau型干涉顯微物鏡無法補(bǔ)償參考臂和測量臂的光程差，所以光學(xué)輪廓儀無法應(yīng)對膜厚、間隙和斷層影像的測量，也無法測量應(yīng)力和雙折射變化；Linnik干涉結(jié)構(gòu)在調(diào)整參考臂和測量臂的準(zhǔn)確對焦，以及兩臂的光程差的過程中非常困難，缺少一種快速方便的的自動(dòng)對焦功能 ’另外，為了各種復(fù)雜的測量樣品和測量要求而添置這些測量儀器，勢必會投入極其昂貴的費(fèi)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服背景技術(shù)的不足，提供一種二維和三維一體化成像測量系統(tǒng)，以固定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，集光學(xué)自動(dòng)對焦技術(shù)、微視覺影像測量技術(shù)、白光干涉全場測量技術(shù)、低相干光全場斷層掃描技術(shù)和偏振干涉測量技術(shù)于一體，大大減少了使用成本。本發(fā)明為解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明二維和三維一體化成像測量系統(tǒng)的特點(diǎn)是由像散自動(dòng)對焦單元、光源單元、Linnik干涉單元和圖像接收單元構(gòu)成；在所述像散自動(dòng)對焦單元中，由半導(dǎo)體激光器發(fā)出的中心波長為650nm的紅光激光依次經(jīng)分光光柵和第一分光鏡片反射到反射鏡上，再經(jīng)反射鏡反射進(jìn)入準(zhǔn)直鏡中，由所述準(zhǔn)直鏡整形輸出平行的紅光激光光束進(jìn)入光源單元；在所述光源單元中，鹵素?zé)舭l(fā)出的寬光譜白光光束通過導(dǎo)光光纖后依次經(jīng)集光鏡、偏振片和第二分光鏡片，與來自像散自動(dòng)對焦單兀的紅光激光光束一起進(jìn)入Linnik干涉單元；在所述Linnik干涉單元中，白光光束和紅光激光光束經(jīng)過分光棱鏡分成相互垂直的參考光束和測量光束，分別進(jìn)入?yún)⒖急酆蜏y量臂中；所述參考光束在參考臂中依次經(jīng)過第一光闌、第一 1/4波片和第一顯微物鏡聚焦在由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的參考鏡上；所述測量光束在測量臂中依次經(jīng)過第二光闌、第二 1/4波片和第二顯微物鏡聚焦到被測物上；所述參考光束和測量光束分別在參考鏡和被測物中反射后原路返回并匯合至分光棱鏡，再由所述分光棱鏡分成相互垂直的兩束光，其中的一束光按照原路依次經(jīng)過第二分光鏡片、準(zhǔn)直鏡和反射鏡后，再經(jīng)第一分光鏡片和像散透鏡聚焦在四象限探測器上；另一束光進(jìn)入圖像接收單元中；在所述圖像接收單元中，紅光激光光束被帶阻濾光片阻擋；白光光束經(jīng)過帶阻濾光片后由偏振分光棱鏡分成相互垂直的水平偏振光和垂直偏振光，再分別通過水平偏振筒鏡和垂直偏振筒鏡，成像在水平偏振(XD相機(jī)和垂直偏振(XD相機(jī)上。本發(fā)明二維和三維一體化成像測量系統(tǒng)的特點(diǎn)也在于所述像散自動(dòng)對焦單元采用去除聚焦透鏡的DVD激光讀取頭。本發(fā)明二維和三維一體化成像測量系統(tǒng)的特點(diǎn)還在于定義在呈水平設(shè)置的測量系統(tǒng)中，光路坐標(biāo)為沿著光束傳播的方向?yàn)閆軸，在與 Z軸垂直的X-Y平面中，沿水平方向?yàn)閄軸，沿豎直方向?yàn)閅軸；所述光源單元中的偏振片的光軸與測量系統(tǒng)的光路坐標(biāo)系中的X軸平行。所述Linnik干涉單元中的第一 1/4波片和第二 1/4波片的快軸分別與測量系統(tǒng)的光路坐標(biāo)系中的X軸呈22. 5°和45°的夾角；第一顯微物鏡和第二顯微物鏡是一對型號相同的顯微物鏡；第一顯微物鏡、參考鏡和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器固定在可沿光路坐標(biāo)系的Z軸方向移動(dòng)的精密位移平臺上。所述圖像接收單元中的水平偏振筒鏡和垂直偏振筒鏡是一對型號相同的筒鏡；水平偏振CCD相機(jī)和垂直偏振CCD相機(jī)是一對型號相同的CCD相機(jī)。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)I、本發(fā)明具有二維和三維一體化成像測量功能，集成了光學(xué)自動(dòng)對焦技術(shù)、微視覺影像測量技術(shù)、白光干涉全場測量技術(shù)、低相干光全場斷層掃描技術(shù)和偏振干涉測量技術(shù)；2、本發(fā)明屬于非接觸式光學(xué)測量方法，避免了傳統(tǒng)的接觸式探頭對探頭半徑的補(bǔ)償；由于沒有接觸應(yīng)力，不會對被測物產(chǎn)生破壞；測量速度快，不必像接觸式探頭進(jìn)行逐點(diǎn)掃描;3、本發(fā)明基于Linnik干涉主體，加入了像散自動(dòng)對焦技術(shù)來輔助實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對焦功能和干涉條紋搜索功能，提高了測量系統(tǒng)的自動(dòng)化程度；
4、本發(fā)明只需要插入和移除光源單元中的偏振片和Linnik干涉單元中的一對 1/4波片，就可以方便地讓干涉系統(tǒng)在偏振模式和非偏振模式之間進(jìn)行切換；5、本發(fā)明極大地降低了各種測量要求和應(yīng)用所花費(fèi)的成本，提高了測量效率，從而降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，使產(chǎn)品的競爭力得以提升。


圖I為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。圖2a和圖2b分別為本發(fā)明系統(tǒng)像散法原理圖和聚焦誤差信號(FES)曲線。圖3為本發(fā)明系統(tǒng)流程圖。圖4a和圖4b分別為本發(fā)明系統(tǒng)中干涉信號采集的原理圖和干涉信號包絡(luò)極大值重構(gòu)三微形貌的原理圖。圖5a和圖5b分別為本發(fā)明系統(tǒng)中測量透明膜厚的原理圖和測量空氣間隙的原理圖。圖6為本發(fā)明系統(tǒng)中斷層掃描的原理圖。圖7a和圖7b分別為本發(fā)明系統(tǒng)中非雙折射被測物的偏振干涉信號原理圖和雙折射被測物的偏振干涉信號原理圖。圖中標(biāo)號I像散自動(dòng)對焦單元；2光源單元；3為Linnik干涉單元；4圖像接收單兀;5半導(dǎo)體激光器；6分光光柵；7第一分光鏡片；8反射鏡；9準(zhǔn)直鏡；10柱面鏡；11四象限探測器；12 1 素?zé)簦?3導(dǎo)光光纖；14集光鏡；15偏振片；16第二分光鏡片；17分光棱鏡； 18第一光闌；19第一 1/4波片；20、第一顯微物鏡；21參考鏡；22壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器；23精密位移平臺；24第二光闌；25第二 1/4波片；26第二顯微物鏡；27帶阻濾光片；28偏振分光棱鏡；29水平偏振筒鏡；30水平偏振CXD相機(jī)；31垂直偏振筒鏡；32垂直偏振CXD相機(jī)；33 被測物；34光路坐標(biāo)系；35薄膜；36薄膜基底；37蓋玻片；38空氣隙；39載玻片；40內(nèi)部散射介質(zhì)；41內(nèi)部散射介質(zhì)的三維斷層掃描圖像。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，本實(shí)施例中，像散自動(dòng)對焦單元I中由半導(dǎo)體激光器5發(fā)出的中心波長為650nm的紅光激光依次經(jīng)分光光柵6和第一分光鏡片7反射到反射鏡8上，再經(jīng)反射鏡8反射進(jìn)入準(zhǔn)直鏡9中，由準(zhǔn)直鏡9整形輸出平行的紅光激光光束進(jìn)入光源單元2中。如圖I所不,在光源單兀2中，齒素?zé)?2發(fā)出的寬光譜白光光束通過導(dǎo)光光纖13 后依次經(jīng)集光鏡14、偏振片15和第二分光鏡片16,與來自像散自動(dòng)對焦單兀I的紅光激光光束一起進(jìn)入Linnik干涉單元3中。如圖I所示，在Linnik干涉單元3中，紅光激光光束經(jīng)過分光棱鏡17分成相互垂直的參考光束和測量光束，分別進(jìn)入?yún)⒖急酆蜏y量臂中；參考光束在參考臂中依次經(jīng)過第一光闌18、第一 1/4波片19和第一顯微物鏡20聚焦在由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器22驅(qū)動(dòng)的參考鏡21上；測量光束在測量臂中依次經(jīng)過第二光闌24、第二 1/4波片25和第二顯微物鏡26 聚焦到被測物33上；參考光束和測量光束分別在參考鏡21和被測物33中反射后原路返回并匯合至分光棱鏡17,再由分光棱鏡17分成相互垂直的兩束光,其中一束光進(jìn)入圖像接收單元4中；另一束光按照原路依次經(jīng)過第二分光鏡片16、準(zhǔn)直鏡9和反射鏡8后，再經(jīng)第一分光鏡片7和像散透鏡10聚焦在四象限探測器11上；由于像散透鏡10的子午方向焦距和弧矢方向焦距不同，四象限探測器11上的激光光斑形狀會不同，如圖2a所示，當(dāng)參考鏡21 (或被測物33)的表面位于第一顯微物鏡20 (或第二顯微物鏡26)的焦面位置，紅光激光光斑為圓形；當(dāng)參考鏡21 (或被測物33)的表面偏離第一顯微物鏡20 (或第二顯微物鏡26)的焦面位置，紅光激光光斑為橢圓形；根據(jù)四象限探測器11的四個(gè)電壓輸出信號依次為 UA、UB、UC 和 Ud,定義歸一化聚焦誤差信號 FES = [ (UA+UC) - (UB+UD) ] / (UA+UB+UC+UD)，以歸一化聚焦誤差信號FES為縱軸，以參考鏡21 (或被測物33)的表面和第一顯微物鏡20焦面之間的距離ΛΖ為橫軸，得到像散自動(dòng)對焦單元的S曲線，曲線零點(diǎn)位置就是準(zhǔn)確對焦的位置,如圖2b所示。如圖I所示，在圖像接收單元4中，紅光激光光束被帶阻濾光片27阻擋；白光光束經(jīng)過帶阻濾光片27后由偏振分光棱鏡28分成相互垂直的水平偏振光和豎直偏振光，再分別通過水平偏振筒鏡29和垂直偏振筒鏡31，成像在水平偏振CXD相機(jī)30和垂直偏振CXD 相機(jī)32上；具體實(shí)施中，像散自動(dòng)對焦單元I可以采用去除聚焦透鏡的DVD激光讀取頭。本實(shí)施例中，定義在呈水平設(shè)置的測量系統(tǒng)中的光路坐標(biāo)為沿著光束傳播的方向?yàn)閆軸，在與Z軸垂直的X-Y平面中，沿水平方向?yàn)閄軸，沿豎直方向?yàn)閅軸；光源單元2中的偏振片15的光軸與測量系統(tǒng)的光路坐標(biāo)系34中的X軸平行，將白光光束起偏為水平線偏振光；Linnik干涉單兀3中的第一 1/4波片19的快軸與測量系統(tǒng)的光路坐標(biāo)系34中的X軸呈22. 5°的夾角，使參考臂中反射回的白光光束的偏振態(tài)由水平線偏振光變?yōu)?5°線偏振光；Linnik干涉單兀3中的第二 1/4波片25的快軸與測量系統(tǒng)的光路坐標(biāo)系34中的X軸呈45°的夾角，使測量臂中反射回的白光光束的偏振態(tài)由水平線偏振光變?yōu)闄E圓線偏振光。第一顯微物鏡20和第二顯微物鏡26是一對型號相同的顯微物鏡；第一顯微物鏡 20、參考鏡21和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器22固定在可沿光路坐標(biāo)系34的Z軸方向移動(dòng)的精密位移平臺23上；圖像接收單元4中的水平偏振筒鏡29和垂直偏振筒鏡31是一對型號相同的筒鏡；水平偏振CCD相機(jī)30和垂直偏振CCD相機(jī)32是一對型號相同的CCD相機(jī)。本實(shí)施例中系統(tǒng)的自動(dòng)對焦功能是通過像散自動(dòng)對焦單元I實(shí)現(xiàn)的。如圖I所示，當(dāng)測量臂中的第二光闌24關(guān)閉且參考臂中的第一光闌18打開時(shí)，四象限探測器11上只有來自參考臂的激光光束，計(jì)算機(jī)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)四象限探測器11輸出的S曲線信號，實(shí)時(shí)控制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的位置，從而實(shí)現(xiàn)對參考鏡21的自動(dòng)對焦，如圖3所示； 當(dāng)測量臂中的第二光闌24打開且參考臂中的第一光闌18關(guān)閉時(shí)，四象限探測器11上只有來自測量臂的激光光束，計(jì)算機(jī)的Z軸自動(dòng)對焦控制模塊根據(jù)四象限探測器11輸出的S曲線信號，實(shí)時(shí)控制Z軸位移電機(jī)的位置，Z軸位移電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)二維和三維一體化成像測量系統(tǒng)，對被測物33進(jìn)行自動(dòng)對焦，如圖3所示。本實(shí)施例中系統(tǒng)的微視覺影像測量功能是通過當(dāng)且僅當(dāng)關(guān)閉Linnik干涉單元3 中的第一光闌18來實(shí)現(xiàn)的。結(jié)合圖I和圖3，計(jì)算機(jī)的Z軸自動(dòng)對焦控制模塊根據(jù)四象限探測器11輸出的S曲線信號，實(shí)時(shí)控制Z軸位移電機(jī)的位置，Z軸位移電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)二維和三維一體化成像測量系統(tǒng)，對被測物33進(jìn)行自動(dòng)對焦；來自光源單元2中的白光光束進(jìn)入Linnik干涉單元3中的測量臂后，來自被測物33的反射光按原路返回至分光棱鏡17，然后進(jìn)入圖像接收單元4的水平偏振CCD相機(jī)30中成像，通過圖像采集卡將被測物33的影像采集到計(jì)算機(jī)中；計(jì)算機(jī)的X/Y軸電機(jī)控制模塊則帶動(dòng)X/Y軸電機(jī)，沿著X/Y方向?qū)Ρ粶y物33的任何感興趣區(qū)域進(jìn)行掃描；圖像接收單元4中的帶阻濾光片27是用來濾除來自像散自動(dòng)對焦單元I的中心波長為650nm的紅光激光，避免了紅光激光被聚焦在水平偏振 CXD相機(jī)30上，從而干擾被測物33的成像質(zhì)量。本實(shí)施例中系統(tǒng)的白光干涉全場測量功能是通過Linnik干涉單元3實(shí)現(xiàn)的。結(jié)合圖I和圖3，該功能要求首先移除偏振片15、第一 1/4波片19和第二 1/4波片25，然后利用像散自動(dòng)對焦單元I分別對參考鏡21和被測物33進(jìn)行自動(dòng)對焦，在自動(dòng)對焦完成后，保持第一光闌18和第二光闌24均打開，利用計(jì)算機(jī)的精密位移平臺控制模塊移動(dòng)精密位移平臺，使得參考臂和測量臂的光程差在鹵素?zé)?2發(fā)出的寬光譜光源的相干長度范圍之內(nèi)， 即水平偏振CCD相機(jī)30和垂直偏振CCD相機(jī)32出現(xiàn)黑白相間的干涉條紋；然后通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)模塊控制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，從而帶動(dòng)參考鏡21沿著Z軸以一定的掃描間隔(通常為1/4波長)進(jìn)行采樣，采得的N幅干涉圖al至aN通過圖像采集卡送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理；如圖4a所示，取干涉圖上對應(yīng)于被測物33表面不同高度的兩個(gè)像素點(diǎn)，這兩個(gè)像素點(diǎn)分別在N幅干涉圖上的灰度值組成了兩個(gè)白光干涉信號Il和12 ;由白光干涉信號Il和12 得到的信號包絡(luò)El和E2如圖4b所示，信號包絡(luò)的極大值Pl和P2在Z軸方向的高度分別為Zl和Z2，Z1和Z2的差即為這兩個(gè)像素對應(yīng)于被測物33表面不同兩點(diǎn)的實(shí)際高度差hi ； 通過計(jì)算干涉圖上每一個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)的白光干涉信號包絡(luò)的極大值沿Z軸方向的位置，就可以恢復(fù)被測物表面的三維形貌信息；除了表面三維形貌信息，白光干涉全場測量功能還可以測量薄膜厚度和空氣隙厚度。如圖5a，在薄膜35的上表面與薄膜35和薄膜基底36的分界面上會產(chǎn)生兩個(gè)干涉信號，薄膜35的上表面的干涉信號幅值較大，因?yàn)樵摫砻娴姆瓷涔鈴?qiáng)較大；相反，薄膜35和薄膜基底36的分界面上的干涉信號幅值較小，因?yàn)樵摲纸缑娣瓷涔鈴?qiáng)較弱；這兩個(gè)干涉信號包絡(luò)的極大值沿Z軸方向的高度差即為薄膜35的光學(xué)厚度，若已知薄膜35的折射率，則幾何厚度即為光學(xué)厚度除以折射率；如圖5b，在蓋玻片37的上表面、蓋玻片37的下表面和載玻片39的上表面會產(chǎn)生三個(gè)干涉信號，蓋玻片37上表面的干涉信號的幅值較大，因?yàn)樵摫砻娴姆瓷涔鈴?qiáng)較大；蓋玻片37下表面和載玻片39上表面的干涉信號幅值幾乎一樣，因?yàn)檫@兩個(gè)表面之間的介質(zhì)為空氣隙38,其反射光強(qiáng)幾乎一樣；蓋玻片37下表面和載玻片39上表面的干涉信號包絡(luò)的極大值沿Z軸方向的高度差即為空氣隙38的光學(xué)厚度，由于空氣的折射率為1，所以空氣隙38的幾何厚度即為光學(xué)厚度。本實(shí)施例中系統(tǒng)的低相干光全場斷層掃描技術(shù)是通過Linnik干涉單元3實(shí)現(xiàn)的。 結(jié)合圖I、圖3和圖6，該功能要求首先移除偏振片15、第一 1/4波片19和第二 1/4波片25， 然后利用像散自動(dòng)對焦單元I分別對參考鏡21和被測物33進(jìn)行自動(dòng)對焦，在自動(dòng)對焦完成后，保持第一光闌18和第二光闌24均打開，利用計(jì)算機(jī)的精密位移平臺控制模塊移動(dòng)精密位移平臺，使得參考臂和測量臂的光程差在鹵素?zé)?2發(fā)出的寬光譜光源的相干長度范圍之內(nèi)；然后Z軸位移電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)二維和三維一體化成像測量系統(tǒng)沿Z向移動(dòng)，讓第二顯微物鏡26的焦平面進(jìn)入內(nèi)部散射介質(zhì)40某一深度的掃描位置bl，在該位置通過計(jì)算機(jī)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)模塊控制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，以1/4波長的步距做移相掃描，得到在掃描位置 bl處的四幅移相圖bll至bl4,同樣地,對于掃描位置b2,得到四幅移相圖b21至b24,對于掃描位置bN，得到四幅移相圖bNl至bN4，總共4XN幅圖像通過圖像采集卡送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理；然后根據(jù)四步移相算法，解析出相應(yīng)掃描位置bl至bN的層析圖Cl至cN，將這些層析圖按照掃描步距堆疊起來就得到了內(nèi)部散射介質(zhì)的三維斷層掃描圖像41 ;上述方法中，移相算法不僅包括四步移相算法，也包括五步、六部、七步移相算法，可以根據(jù)算法的不同性能和測量需求，來進(jìn)行相應(yīng)的移相掃描和層析圖解析。本實(shí)施例中系統(tǒng)的偏振干涉測量技術(shù)是通過在光源單元2插入偏振片15，在 Linnik干涉單元3插入第一 1/4波片19和第二 1/4波片25實(shí)現(xiàn)的。如圖I所示，偏振片 15的光軸與光路坐標(biāo)系34的X軸呈O °的夾角，第一 1/4波片19和第二 1/4波片25的快軸分別與光路坐標(biāo)系34的X軸呈22. 5°和45°的夾角；利用像散自動(dòng)對焦單元I分別對參考鏡21和被測物33進(jìn)行自動(dòng)對焦，在自動(dòng)對焦完成后，保持第一光闌18和第二光闌24 均打開。如圖I所示，來自光源單元2中的水平線偏振白光光束被Linnik干涉單元3中的分光棱鏡17分成相同的參考光束和測量光束，分別進(jìn)入?yún)⒖急酆蜏y量臂，經(jīng)過參考鏡21和被測物33反射后,在分光棱鏡17處匯合；在分光棱鏡17處,參考光束由水平線偏振白光光束變成45°線偏振白光光束；若被測物為非雙折射介質(zhì)，在分光棱鏡17處，測量光束由水平線偏振白光光束變成垂直偏振白光光束；若被測物為雙折射介質(zhì)，在分光棱鏡17處， 測量光束由水平線偏振白光光束變成橢圓偏振白光光束；參考光束和測量光束在分光棱鏡 17處結(jié)合后，一起進(jìn)入圖像接收單元4中。如圖7a和圖7b所75, R為參考光束偏振態(tài),Vk為參考光束偏振態(tài)在垂直偏振方向上的分量，He為參考光束偏振態(tài)在水平偏振方向上的分量，S為測量光束偏振態(tài)，Vs為測量光束偏振態(tài)在垂直偏振方向上的分量，Hs為測量光束偏振態(tài)在水平偏振方向上的分量；結(jié)合圖I和圖7，在圖像接收單元4中，來自參考臂的45°線偏振白光光束，經(jīng)過帶阻濾光片 27后,被偏振分光棱鏡28分成相等的水平偏振分量Hk和垂直偏振分量Vk,如圖7a左上所示；若被測物為非雙折射介質(zhì)，則來自測量臂的垂直線偏振白光光束，經(jīng)過帶阻濾光片27 后，被偏振分光棱鏡28分成垂直偏振分量Vs,無水平偏振分量Hs,如圖7a左下所不；當(dāng)參考光和測量光的垂直偏振分量疊加后，在垂直偏振CXD相機(jī)32上產(chǎn)生如圖7a右上的干涉信號；當(dāng)參考光和測量光的水平偏振分量疊加后，在水平偏振CCD相機(jī)30上不會產(chǎn)生干涉信號,如圖7a右下所示。若被測物為雙折射介質(zhì)，則來自測量臂的橢圓偏振白光光束，經(jīng)過帶阻濾光片27 后，被偏振分光棱鏡28分成信號強(qiáng)度較大的垂直偏振分量Vs和信號強(qiáng)度較小的水平偏振分量Hs，如圖7b左下所示；當(dāng)參考光和測量光的垂直偏振分量疊加后，在垂直偏振CCD相機(jī)32上產(chǎn)生如圖7b右上的干涉信號，其信號強(qiáng)度較強(qiáng)；當(dāng)參考光和測量光的水平偏振分量疊加后，在水平偏振CCD相機(jī)30上產(chǎn)生如圖7b右下的干涉信號，其信號強(qiáng)度較弱； 根據(jù)參考文獻(xiàn) Christoph Hitzenberger, Erich Goetzinger, Markus Sticker, Michael Pircher, and Adolf Fercher, “Measurement and imaging of birefringence and optic axis orientation by phase resolved polarization sensitive optical coherence tomography, ”0pt. Express 9, 780-790 (2001)中的公式(6)至公式(9),可以計(jì)算出被測物雙折射率分布以及主軸變化分布。
權(quán)利要求
1.二維和三維一體化成像測量系統(tǒng)，其特征是由像散自動(dòng)對焦單元(I)、光源單元 (2)、Linnik干涉單元(3)和圖像接收單元⑷構(gòu)成；在所述像散自動(dòng)對焦單元(I)中，由半導(dǎo)體激光器(5)發(fā)出的中心波長為650nm的紅光激光依次經(jīng)分光光柵(6)和第一分光鏡片(7)反射到反射鏡(8)上，再經(jīng)反射鏡(8)反射進(jìn)入準(zhǔn)直鏡(9)中，由所述準(zhǔn)直鏡(9)整形輸出平行的紅光激光光束進(jìn)入光源單元(2);在所述光源單元(2)中，鹵素?zé)?12)發(fā)出的寬光譜白光光束通過導(dǎo)光光纖(13)后依次經(jīng)集光鏡(14)、偏振片(15)和第二分光鏡片(16)，與來自像散自動(dòng)對焦單元(I)的紅光激光光束一起進(jìn)入Linnik干涉單元(3)；在所述Linnik干涉單元(3)中，白光光束和紅光激光光束經(jīng)過分光棱鏡(17)分成相互垂直的參考光束和測量光束，分別進(jìn)入?yún)⒖急酆蜏y量臂中；所述參考光束在參考臂中依次經(jīng)過第一光闌(18)、第一 1/4波片(19)和第一顯微物鏡(20)聚焦在由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器 (22)驅(qū)動(dòng)的參考鏡(21)上；所述測量光束在測量臂中依次經(jīng)過第二光闌(24)、第二 1/4波片(25)和第二顯微物鏡(26)聚焦到被測物(33)上；所述參考光束和測量光束分別在參考鏡(21)和被測物(33)中反射后原路返回并匯合至分光棱鏡(17)，再由所述分光棱鏡(17) 分成相互垂直的兩束光，其中的一束光按照原路依次經(jīng)過第二分光鏡片(16)、準(zhǔn)直鏡(9) 和反射鏡(8)后，再經(jīng)第一分光鏡片(7)和像散透鏡(10)聚焦在四象限探測器(11)上；另一束光進(jìn)入圖像接收單元(4)中；在所述圖像接收單元(4)中，紅光激光光束被帶阻濾光片(27)阻擋；白光光束經(jīng)過帶阻濾光片(27)后由偏振分光棱鏡(28)分成相互垂直的水平偏振光和垂直偏振光,再分別通過水平偏振筒鏡(29)和垂直偏振筒鏡(31)，成像在水平偏振CCD相機(jī)(30)和垂直偏振 CCD相機(jī)(32)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的二維和三維一體化成像測量系統(tǒng)，其特征是所述像散自動(dòng)對焦單元(I)采用去除聚焦透鏡的DVD激光讀取頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的二維和三維一體化成像測量系統(tǒng)，其特征是定義在呈水平設(shè)置的測量系統(tǒng)中，光路坐標(biāo)為沿著光束傳播的方向?yàn)閆軸，在與Z軸垂直的X-Y平面中，沿水平方向?yàn)閄軸，沿豎直方向?yàn)閅軸；所述光源單元(2)中的偏振片(15)的光軸與測量系統(tǒng)的光路坐標(biāo)系(34)中的X軸平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的二維和三維一體化成像測量系統(tǒng)，其特征是定義在呈水平設(shè)置的測量系統(tǒng)中，光路坐標(biāo)為沿著光束傳播的方向?yàn)閆軸，在與Z軸垂直的X-Y平面中，沿水平方向?yàn)閄軸，沿豎直方向?yàn)閅軸；所述Linnik干涉單元(3)中的第一 1/4波片(19)和第二 1/4波片(25)的快軸分別與測量系統(tǒng)的光路坐標(biāo)系(34)中的X軸呈22. 5°和45°的夾角；第一顯微物鏡(20)和第二顯微物鏡(26)是一對型號相同的顯微物鏡；第一顯微物鏡(20)、參考鏡(21)和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(22)固定在可沿光路坐標(biāo)系(34)的Z軸方向移動(dòng)的精密位移平臺(23)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的二維和三維一體化成像測量系統(tǒng)，其特征是所述圖像接收單元(4)中的水平偏振筒鏡(29)和垂直偏振筒鏡(31)是一對型號相同的筒鏡；水平偏振 (XD相機(jī)(30)和垂直偏振(XD相機(jī)(32)是一對型號相同的(XD相機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種二維和三維一體化成像測量系統(tǒng)，其特征是由像散自動(dòng)對焦單元、光源單元、Linnik干涉單元和圖像接收單元構(gòu)成。本發(fā)明以固定的系統(tǒng)架構(gòu)，集成了多種先進(jìn)的成像技術(shù)，可以高效的應(yīng)對各種精密測量的要求，主要運(yùn)用于微零件結(jié)構(gòu)的二維幾何參數(shù)測試，MEMS、IC和光學(xué)微器件的加工、質(zhì)量和表面形貌的檢測，以及生物組織醫(yī)學(xué)測量等。
文檔編號G01B11/24GK102589463SQ20121000656
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者盧榮勝, 史艷瓊, 夏瑞雪, 董敬濤, 陳琳 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)