[发明专利]二维和三维一体化成像测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及二维和三维一体化成像测量系统，尤其涉及微零件结构的二维几何参数测试，MEMS、IC和光学微器件的加工、质量和表面形貌的检测，以及生物组织医学测量。

背景技术

近年来，随着半导体、MEMS、IC、光学微器件以及纳米科技等高新技术产业的快速发展，如何在最短的时间内完成产品的设计、加工和检测，已成为业内一个重要的课题。目前国内外精密加工制造的技术不断进步，使得许多微光学、微电子、微半导体产品的规格达到微纳米的级别，因此检测技术成为决定产品的质量和市场竞争力的关键因素。在所有检测技术中，光学非接触式测量在近年来深受欢迎，因其优点在于：光束可以被聚焦物镜聚焦的极小，避免了传统的接触式探头对探头半径的补偿；由于没有接触应力，不会对被测物产生破坏；测量速度非常快，不必像接触式探头进行逐点扫描。

在应对二维影像测量方面，日本中央精机、日本尼康、美国Navitar、美国MotionX、加拿大WDI等公司，开发出了具有自动对焦功能的显微镜二维影像测量系统；英国Taylor Hobson、美国Veeco、美国Zygo、德国Polytec等公司开发出了针对非接触式表面微形貌测量的白光干涉光学轮廓仪，并提供不同倍率的Michelson和Mirau型干涉显微物镜；L.Vabre等人和A.Dubois等人采用Linnik干涉结构得到了生物组织的全场断层影像；Jihoon Na等人利用基于Linnik干涉结构的低相干光全场断层扫描技术测得了透明介质的厚度和折射率；K.Wiesauer等人利用偏振干涉测量技术测量并绘制了透明介质的内部应力和双折射；Johannes F.de Boer等人利用偏振式低相干光全场断层扫描技术测量了由于烧伤而造成的皮肤组织的双折射变化；

这些尖端测量技术在各自的应用领域取得了不俗的成果。但是在同时应对多种测量要求和面对各种不同的被测样本的时候，这些技术都会遇到一定的局限性，例如：自动对焦功能的显微镜二维影像测量系统无法得到表面三微形貌；由于Michelson和Mirau型干涉显微物镜无法补偿参考臂和测量臂的光程差，所以光学轮廓仪无法应对膜厚、间隙和断层影像的测量，也无法测量应力和双折射变化；Linnik干涉结构在调整参考臂和测量臂的准确对焦，以及两臂的光程差的过程中非常困难，缺少一种快速方便的的自动对焦功能；另外，为了各种复杂的测量样品和测量要求而添置这些测量仪器，势必会投入极其昂贵的费用。

发明内容

本发明的目的是为了克服背景技术的不足，提供一种二维和三维一体化成像测量系统，以固定的系统结构，集光学自动对焦技术、微视觉影像测量技术、白光干涉全场测量技术、低相干光全场断层扫描技术和偏振干涉测量技术于一体，大大减少了使用成本。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明二维和三维一体化成像测量系统的特点是由像散自动对焦单元、光源单元、Linnik干涉单元和图像接收单元构成；

在所述像散自动对焦单元中，由半导体激光器发出的中心波长为650nm的红光激光依次经分光光栅和第一分光镜片反射到反射镜上，再经反射镜反射进入准直镜中，由所述准直镜整形输出平行的红光激光光束进入光源单元；

在所述光源单元中，卤素灯发出的宽光谱白光光束通过导光光纤后依次经集光镜、偏振片和第二分光镜片，与来自像散自动对焦单元的红光激光光束一起进入Linnik干涉单元；

在所述Linnik干涉单元中，白光光束和红光激光光束经过分光棱镜分成相互垂直的参考光束和测量光束，分别进入参考臂和测量臂中；所述参考光束在参考臂中依次经过第一光阑、第一1/4波片和第一显微物镜聚焦在由压电陶瓷驱动器驱动的参考镜上；所述测量光束在测量臂中依次经过第二光阑、第二1/4波片和第二显微物镜聚焦到被测物上；所述参考光束和测量光束分别在参考镜和被测物中反射后原路返回并汇合至分光棱镜，再由所述分光棱镜分成相互垂直的两束光，其中的一束光按照原路依次经过第二分光镜片、准直镜和反射镜后，再经第一分光镜片和像散透镜聚焦在四象限探测器上；另一束光进入图像接收单元中；

在所述图像接收单元中，红光激光光束被带阻滤光片阻挡；白光光束经过带阻滤光片后由偏振分光棱镜分成相互垂直的水平偏振光和垂直偏振光，再分别通过水平偏振筒镜和垂直偏振筒镜，成像在水平偏振CCD相机和垂直偏振CCD相机上。

本发明二维和三维一体化成像测量系统的特点也在于：

所述像散自动对焦单元采用去除聚焦透镜的DVD激光读取头。

本发明二维和三维一体化成像测量系统的特点还在于：