專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高精度光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量方法，主要目的是用于測(cè)量具有 高深寬比的微觀結(jié)構(gòu)，如微孔(包括盲孔)三維尺寸測(cè)量和MEMS器件三維尺寸測(cè)量等。
背景技術(shù)：
隨著精密/超精密加工技術(shù)的迅速發(fā)展以及MEMS等微小器件的廣泛使用，器件特 征尺寸和與之關(guān)聯(lián)的公差不斷減小，而其形狀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度卻不斷增加，這就對(duì)微納尺 度的幾何量檢測(cè)提出了更高的需求。例如，在半導(dǎo)體工業(yè)中，檢測(cè)的不確定度要求已經(jīng)達(dá) 到亞微米或者納米水平，檢測(cè)對(duì)象的范圍也擴(kuò)大到具有特殊或者復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微器件和微結(jié) 構(gòu)。對(duì)于諸如高深寬比微結(jié)構(gòu)、精加工表面形貌等微幾何量測(cè)量任務(wù)來(lái)說(shuō)，測(cè)頭的設(shè)計(jì)需要 綜合考慮溫度、測(cè)量力和衍射效應(yīng)等因素的影響。如何實(shí)現(xiàn)具有高深寬比的微觀結(jié)構(gòu)的高精度三維測(cè)量成為精密測(cè)量領(lǐng)域的一個(gè) 重點(diǎn)研究方向，其中使用精密坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)與高精度傳感器相結(jié)合的方法的應(yīng)用非常普 遍。國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)發(fā)了多種不同類(lèi)型的微型傳感器或測(cè)頭。光學(xué)非接觸式測(cè)頭具有非 接觸、軸向測(cè)量分辨率和精度較高的優(yōu)點(diǎn)，但是其橫向測(cè)量的性能參數(shù)存在不同程度的缺 陷。不同測(cè)量原理的接觸式測(cè)頭，往往都存在測(cè)量范圍小、有測(cè)量力等問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)一 種具有較低測(cè)量成本的具有高分辨率的三維測(cè)頭成為當(dāng)前超精密測(cè)量領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種基于光纖傳感技術(shù)的多光源調(diào)制三維微觸覺(jué)光纖傳 感方法，它屬于光學(xué)接觸式測(cè)頭，可用于微觀三維尺寸精密測(cè)量。由于使用光纖探頭，能顯 著提高諸如微孔、高深寬比微結(jié)構(gòu)等特殊形體三維幾何參數(shù)測(cè)量的精度和分辨率，測(cè)量力 小。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量的測(cè)量裝置，其特征是將玻璃 或聚苯乙烯材質(zhì)的探球與兩光纖纖尾固結(jié)和/或燒結(jié)在一起，組成微觸覺(jué)探測(cè)頭，在兩光 纖中通入兩種以上不同激光，驅(qū)動(dòng)兩光纖使探球從不同方向接近或接觸被測(cè)物時(shí)，從探球 中反射回兩光纖的不同種激光的性態(tài)發(fā)生變化，用光分離器將反射回各光纖的混合反射光 中的不同種激光分離提取，傳送到光電檢測(cè)器件執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)換獲得的電訊號(hào)由 后續(xù)信號(hào)處理電路處理求出光纖中不同光信號(hào)的變化量，解算求出被測(cè)物體的空間坐標(biāo)位 置，精確測(cè)量出微觀結(jié)構(gòu)三維形貌的高、深、寬比值。在上述高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量的測(cè)量裝置中，其特征是其 中使用的不同種激光光源是不同波長(zhǎng)或偏振態(tài)的激光，波長(zhǎng)范圍200nm 2000nm，激光源 的輸出功率范圍是ImW 100mW。在上述高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量的測(cè)量裝置中，其特征是兩 光纖中通入兩種不同波長(zhǎng)的激光。
在上述高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量的測(cè)量裝置中，具特征是其中反射回光纖的激光性態(tài)的變化是光強(qiáng)和相位的變化。在上述高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量的測(cè)量裝置中，其特征是使 用波分復(fù)用器WDM分離反射回光纖的激光。在上述高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量的測(cè)量裝置中，其特征是其 中探球與光纖的聯(lián)結(jié)方式是，探球與兩光纖纖尾使用折射率與光纖玻璃匹配的紫外光固化 光纖膠粘劑進(jìn)行固結(jié)。在上述高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量的測(cè)量裝置中，其特征是其 中被測(cè)量對(duì)象可以是，直徑0. 2mm 20mm、高徑比1 50的微孔或其它高深寬比的微結(jié)構(gòu)。在上述高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量的測(cè)量裝置中，其特征是其 中探球與光纖的聯(lián)結(jié)方式是，探球與光纖在纖尾處進(jìn)行燒結(jié)結(jié)合。在上述高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量的測(cè)量裝置中，其特征是其 中探球與光纖的聯(lián)結(jié)方式是，直接在光纖纖尾燒結(jié)獲得探球。一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量方法，其特征是將玻璃或聚苯 乙烯材質(zhì)的探球與兩光纖尾纖固結(jié)和/或燒結(jié)在一起，在兩光纖中通入兩種以上不同激 光，當(dāng)探球從不同方向接近或接觸被測(cè)物時(shí)，從探球中反射回兩光纖的不同種激光的性態(tài) 發(fā)生變化，使用光分離技術(shù)將反射回各光纖的不同種激光的混合光進(jìn)行分離，然后使用光 電檢測(cè)器件和后續(xù)信號(hào)處理電路檢測(cè)光纖中不同光信號(hào)的變化量，進(jìn)而能夠解算出被測(cè)物 體的空間坐標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量具有高深寬比的微觀結(jié)構(gòu)三維形貌的目的。所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量方法，其特征是，在兩光 纖中通入兩種不同波長(zhǎng)的激光。所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量方法，其特征是，其中不 同種激光光源是不同波長(zhǎng)或偏振態(tài)的激光，波長(zhǎng)范圍200nm 2000nm，激光源的輸出功率 范圍是ImW lOOmW。所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量方法，其特征是，其中反 射回光纖的激光性態(tài)的變化是光強(qiáng)和相位的變化。所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量方法，其特征是使用波 分復(fù)用器WDM分離反射回光纖的激光。所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量方法，其特征是，其中探 球與光纖的聯(lián)結(jié)方式是，探球與光纖纖尾在光纖纖尾處進(jìn)行燒結(jié)結(jié)合。所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量方法，其特征是，其中探 球與光纖的聯(lián)結(jié)方式是，探球與光纖纖尾使用折射率與光纖玻璃匹配的紫外光固化光纖膠 粘劑進(jìn)行固結(jié)。所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量方法，其特征是，其中探 球與光纖的構(gòu)成方式是，在兩光纖纖尾處進(jìn)行燒結(jié)處理直接由光纖纖尾獲得探球。所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量方法，其特征是，其中被 測(cè)量對(duì)象可以是，直徑0. 2mm 20mm、高徑比1 50的微孔或其它高深寬比的微結(jié)構(gòu)。綜上所述，本發(fā)明提出的測(cè)量方法進(jìn)而能夠解算出被測(cè)物體的空間坐標(biāo)位置，實(shí) 現(xiàn)精確測(cè)量具有高深寬比的微觀結(jié)構(gòu)三維形貌的目的。


圖1是多光源調(diào)制三維微觸覺(jué)光纖傳感器工作基本原理圖，(a)圖中兩光纖的一 端分別入射兩種不同的激光，入射光h和12分別標(biāo)記為虛線和實(shí)線；(a)圖中光纖與玻璃 球連接處使用紫外膠(圖中標(biāo)記1)。(b)圖表示在非測(cè)量狀態(tài)下，兩束光進(jìn)入探球中發(fā)生 反射和折射，其中有部分光反射后再次耦合進(jìn)入兩光纖中。在光纖1和光纖2中的反射光 是兩種光的混合光，其中，入射光^在光纖1中的反射光記為In’，入射光^在光纖2中的 反射光記為121’ ；入射光12光纖1中的反射光記為112’，入射光h在光纖2中的反射光記 為122’。(c)圖給出兩光纖與玻璃球的位置關(guān)系，其中標(biāo)記2代表玻璃球，標(biāo)記3和4分別 代表兩光纖。(d)圖和(e)圖分別表示x、y方向上進(jìn)行微結(jié)構(gòu)幾何量的測(cè)量時(shí)，探球逐漸 靠近并接觸被測(cè)物時(shí)接收光的變化情況。當(dāng)感測(cè)到微小接觸力時(shí)，探球的中心位置發(fā)生微 量偏移，兩光纖中接收到的反射光的性態(tài)將發(fā)生變化，如光強(qiáng)變化量可分別表示為Aln’， Al21 ’，Al12’，Al22’。使用光電檢測(cè)器件和后續(xù)信號(hào)處理電路能夠檢測(cè)到這種變化量，因 此，通過(guò)分析激光性態(tài)的變化信息就能得出探球中心位置在x、y方向上的偏移量。為了增 強(qiáng)反射光的信號(hào)強(qiáng)度，可以在探球外表面增鍍反射膜。(f)圖表示z方向上進(jìn)行微結(jié)構(gòu)幾何 量的測(cè)量時(shí)，探球逐漸靠近并接觸被測(cè)物時(shí)接收光的變化情況。當(dāng)探球接近被測(cè)物時(shí)，由于 透射光在被測(cè)物表面發(fā)生反射現(xiàn)象，其中一部分會(huì)反射回探球并最終耦合進(jìn)入光纖中。隨 著z向間隙的逐漸縮小，光纖接收的反射光性態(tài)也將發(fā)生變化。據(jù)此，使用光電檢測(cè)器件可 以實(shí)現(xiàn)z向微尺寸的高精度測(cè)量。但為了實(shí)現(xiàn)z方向的測(cè)量，需要留出探球的底部一個(gè)小 的范圍不鍍反射膜。圖2是多光源調(diào)制三維微觸覺(jué)光纖傳感器結(jié)構(gòu)框圖。激光二極管LD1和LD2的激 光分別通過(guò)光隔離器和耦合器進(jìn)入兩根尾纖中。如前所述，兩尾纖與探球固定在一起。對(duì) 于尾纖1而言，經(jīng)探球反射回來(lái)的激光通過(guò)2 X 1耦合器后，其中一路被隔離器隔離，另一路 進(jìn)入波分復(fù)用器并輸出兩不同波長(zhǎng)的激光，然后使用兩個(gè)光電二極管PD1和PD2檢測(cè)反射 回的光信號(hào)。同理，對(duì)于尾纖1而言，經(jīng)探球反射回來(lái)的激光通過(guò)2X1耦合器后，其中一路 被隔離器隔離，另一路進(jìn)入波分復(fù)用器并輸出兩不同波長(zhǎng)的激光，然后使用兩個(gè)光電二極 管PD3和PD4檢測(cè)反射回光信號(hào)。所述的雙光源是兩種不同波長(zhǎng)激光。所述的光信號(hào)是光 強(qiáng)和相位信息。圖3是橫向加載測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理圖。其中標(biāo)記1代表夾具，2代表光纖保護(hù)層，3代 表雙光纖，4代表玻璃球，5代表微位移平臺(tái)。
具體實(shí)施例方式測(cè)量用導(dǎo)光光纖共有兩根，使用玻璃或聚苯乙烯材質(zhì)的小球，使用紫外光固化光 纖膠粘劑進(jìn)行固結(jié)，選擇光纖膠的透明度和折射系數(shù)，使光線在通過(guò)連接處時(shí)損耗最小。如 選取折射率1. 56的紫外膠。所述的激光光源發(fā)射裝置是激光二極管，選取功率10mW同軸封裝DFB尾纖式激光 二極管。選擇兩種不同光源，其中LD1發(fā)出的激光波長(zhǎng)為1310nm，LD2發(fā)出的激光波長(zhǎng)為 1550nm。選取10/125單模光纖。耦合器采用與使用激光波長(zhǎng)和光纖類(lèi)型相對(duì)應(yīng)的耦合器， 1310/1550nm的2X1單模耦合器。對(duì)應(yīng)的波分復(fù)用器WDM規(guī)格可以是1310/1550nm?？梢圆捎貌煌墓怆姍z測(cè)元件接收返回信號(hào)，選取同軸尾纖PIN探測(cè)器，其中相對(duì)應(yīng)選取的PDl 和PD3的工作波長(zhǎng)是1310nm，PD2和PD4的工作波長(zhǎng)是1550nm。探球材料為玻璃或聚苯乙 烯材質(zhì)，選取直徑為300 μ m的玻璃探球。
測(cè)量直徑1mm、深I(lǐng)Omm微孔的直徑和圓柱度。也可測(cè)量尺寸相仿的不同于微孔的 其它微結(jié)構(gòu)尺寸。首先，將研發(fā)的三維微觸覺(jué)光纖傳感器裝配在納米坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量臂 上，將待測(cè)樣品固定在測(cè)量機(jī)工作臺(tái)上。使用納米測(cè)量機(jī)的定位功能將光纖傳感器探頭放 置在微孔中心區(qū)域附近，然后通過(guò)測(cè)量機(jī)實(shí)現(xiàn)χ、y方向的微進(jìn)給，觀察4個(gè)光電二極管探 測(cè)的光信號(hào)強(qiáng)度和相位變化，當(dāng)探測(cè)到工件輪廓時(shí)，停止納米測(cè)量機(jī)的位移，記錄下測(cè)量位 置，通過(guò)坐標(biāo)變換得到被測(cè)物體接觸點(diǎn)的三維坐標(biāo)。如此反復(fù)，在不同角度和不同高度的測(cè) 量多個(gè)點(diǎn)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理可以得到被測(cè)微孔的直徑和圓柱度信息。
權(quán)利要求
一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量的測(cè)量裝置，其特征是將玻璃或聚苯乙烯材質(zhì)的探球與兩光纖纖尾固結(jié)和/或燒結(jié)在一起，組成微觸覺(jué)探測(cè)頭，在兩光纖中通入兩種以上不同激光，驅(qū)動(dòng)兩光纖使探球從不同方向接近或接觸被測(cè)物時(shí)，從探球中反射回兩光纖的不同種激光的性態(tài)發(fā)生變化，用光分離器將反射回各光纖的混合反射光中的不同種激光分離提取，傳送到光電檢測(cè)器件執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)換獲得的電訊號(hào)由后續(xù)信號(hào)處理電路處理求出光纖中不同光信號(hào)的變化量，解算求出被測(cè)物體的空間坐標(biāo)位置，精確測(cè)量出微觀結(jié)構(gòu)三維形貌的高、深、寬比值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量的測(cè)量裝 置，其特征是其中使用的不同種激光光源是不同波長(zhǎng)或偏振態(tài)的激光，波長(zhǎng)范圍200nm 2000nm，激光源的輸出功率范圍是lmW 100mW。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量的測(cè)量裝 置，其特征是兩光纖中通入兩種不同波長(zhǎng)的激光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量的測(cè)量裝 置，其特征是其中反射回光纖的激光性態(tài)的變化是光強(qiáng)和相位的變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量的測(cè)量裝 置，其特征是使用波分復(fù)用器WDM分離反射回光纖的激光。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量的測(cè)量裝 置，其特征是其中探球與光纖的聯(lián)結(jié)方式是，探球與兩光纖纖尾使用折射率與光纖玻璃匹 配的紫外光固化光纖膠粘劑進(jìn)行固結(jié)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量的測(cè)量裝 置，其特征是其中被測(cè)量對(duì)象可以是，直徑0. 2mm 20mm、高徑比1 50的微孔或其它高 深寬比的微結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量的測(cè)量裝 置，其特征是其中探球與光纖的聯(lián)結(jié)方式是，探球與光纖在纖尾處進(jìn)行燒結(jié)結(jié)合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量的測(cè)量裝 置，其特征是其中探球與光纖的聯(lián)結(jié)方式是，直接在光纖纖尾燒結(jié)獲得探球。
10.一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量方法，其特征是將玻璃或聚苯 乙烯材質(zhì)的探球與兩光纖尾纖固結(jié)和/或燒結(jié)在一起，在兩光纖中通入兩種以上不同激 光，當(dāng)探球從不同方向接近或接觸被測(cè)物時(shí)，從探球中反射回兩光纖的不同種激光的性態(tài) 發(fā)生變化，使用光分離技術(shù)將反射回各光纖的不同種激光的混合光進(jìn)行分離，然后使用光 電檢測(cè)器件和后續(xù)信號(hào)處理電路檢測(cè)光纖中不同光信號(hào)的變化量，進(jìn)而能夠解算出被測(cè)物 體的空間坐標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量具有高深寬比的微觀結(jié)構(gòu)三維形貌的目的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量方法，其 特征是，在兩光纖中通入兩種不同波長(zhǎng)的激光。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量方法，其 特征是，其中不同種激光光源是不同波長(zhǎng)或偏振態(tài)的激光，波長(zhǎng)范圍200nm 2000nm，激光 源的輸出功率范圍是lmW 100mW。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量方法，其 特征是，其中反射回光纖的激光性態(tài)的變化是光強(qiáng)和相位的變化。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量方法，其 特征是使用波分復(fù)用器WDM分離反射回光纖的激光。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量方法，其 特征是，其中探球與光纖的聯(lián)結(jié)方式是，探球與光纖纖尾在光纖纖尾處進(jìn)行燒結(jié)結(jié)合。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量方法，其 特征是，其中探球與光纖的聯(lián)結(jié)方式是，探球與光纖纖尾使用折射率與光纖玻璃匹配的紫 外光固化光纖膠粘劑進(jìn)行固結(jié)。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量方法，其 特征是，其中探球與光纖的構(gòu)成方式是，在兩光纖纖尾處進(jìn)行燒結(jié)處理直接由光纖纖尾獲 得探球。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種高精度多光源調(diào)制光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量方法，其 特征是，其中被測(cè)量對(duì)象可以是，直徑0. 2mm 20mm、高徑比1 50的微孔或其它高深寬比 的微結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高精度光纖微觸覺(jué)三維形貌測(cè)量方法，主要目的是用于測(cè)量具有高深寬比的微觀結(jié)構(gòu)，如微孔(包括盲孔)三維尺寸測(cè)量和MEMS器件三維尺寸測(cè)量等。將玻璃或聚苯乙烯材質(zhì)的探球與兩光纖纖尾固結(jié)或燒結(jié)在一起，組成微觸覺(jué)探測(cè)頭，在兩光纖中通入兩種以上不同激光，驅(qū)動(dòng)兩光纖使探球從不同方向接近或接觸被測(cè)物時(shí)，從探球中反射回兩光纖的不同種激光的性態(tài)發(fā)生變化，用光分離器將反射回各光纖的混合反射光中的不同種激光分離提取，傳送到光電檢測(cè)器件執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)換獲得的電訊號(hào)由后續(xù)信號(hào)處理電路處理求出光纖中不同光信號(hào)的變化量，解算求出被測(cè)物體的空間坐標(biāo)位置，精確測(cè)量出微觀結(jié)構(gòu)三維形貌的高、深、寬比值。
文檔編號(hào)G01B11/24GK101871771SQ201010210358
公開(kāi)日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月28日
發(fā)明者張國(guó)雄, 張宏偉, 李凱 申請(qǐng)人:天津大學(xué)