[发明专利]光针式共光路干涉共焦位移测量装置与方法

说明书

光针式共光路干涉共焦位移测量装置与方法，属于超精密三维测量技术领域。本发明将激光干涉技术与共焦显微测量技术相结合，提出了利用环形反射镜分光构建单臂干涉测量结构；同时根据干涉、共焦测量原理，提出了采用变区域光强采集方法，可消除由于共焦测量系统与干涉测量系统共光路而引入的信号耦合的影响；此外，通过差、比数据解算方法获得准确的位移值，可同时消除系统中的共模加性和乘性噪声。本发明可有效提高系统的测量准确性和测量稳定性，适用于具有大台阶、高深宽比的微结构几何参数和粗糙表面三维形貌测量，应用前景广泛。

技术领域

本发明涉及超精密三维测量领域，具体涉及一种可实现大量程、高分辨力的光针式共光路干涉共焦位移测量装置与方法。

背景技术

随着纳米科技的进步，人类正朝着更精细的微观领域不断迈进。微结构功能表面已被广泛应用于微光学元件、微机电元件以及飞行器制造等许多产业，对其制件表面形貌和结构特征尺寸的超精密测量，市场需求量巨大，如硅晶加工中几何特征和膜厚的检测，表面仿形和纹理结构测量以及光电产品中大型微细结构功能表面加工测量等。在这些领域中，干涉测量技术和共焦显微测量技术都得到了充分的应用。移相干涉技术测量精度高，但测量范围小且易受环境干扰影响，难以测量大台阶和高深宽比的微结构；共焦显微测量技术具有独特的三维层析能力，可以实现在较大范围内测量，但其测量精度受限于物镜数值孔径。

为了克服环境振动、实现大范围高精度测量，将移相干涉技术与共焦显微技术结合起来，利用共焦显微技术的零点特性和干涉信号的周期特性，可完成对非连续微结构表面的形貌测量。文献《大台阶高度测量的外差共焦方法》(中国激光，2005)提出一种双频激光外差干涉共焦显微系统，通过Z向位移扫描的方式确定共焦光强最大值，然后利用双频激光干涉仪的相位值确定表面高度。整个系统实现了大台阶测量中的高分辨力和大量程，但是该方法受限于Z向扫描机构的精度和扫描范围，同时系统结构复杂不利于抑制干扰。文献《同步移相干涉共焦显微成像技术研究》中提出了一种利用偏振分光镜实现同步移相干涉共焦的测量结构，通过四路光强探测器信号解算可在较大范围内，实现纳米级的测量分辨力。但是该系统较为复杂，装调难度高；同时干涉测量系统与共焦显微系统共用同一光强信号，在位移信号解算时会产生相互干扰。专利《分瞳式移相干涉共焦微位移测量装置》(专利公开号：ZL201610317208.5)提出利用二维光栅和四象限偏振移相、移焦阵和软针孔阵列将四路干涉共焦光路集成，在实现高精度绝对位置测量的同时，简化了系统结构，解决了系统调整困难的问题。但由于仍采用迈克耳逊干涉光路结构，参考臂与测量臂分开导致抗干扰能力存在不足，且不利于小型化；另一方面，干涉分系统与共焦分系统仍共用同一光强信号，存在信号耦合效应，影响测量的准确性。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，其目的在于提供一种光针式共光路干涉共焦位移测量装置与方法，该装置具有抗干扰能力强、分辨力高、测量范围大和集成度高的特点，同时可去除干涉与共焦分系统之间的信号耦合效应，实现对非连续表面微结构的三维准确测量。

为达到上述目的，本发明通过以下的技术方案实现：