專利名稱：一種多探針平面度檢測(cè)儀及其檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于平面度檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于光干涉原理的多探針平面度檢測(cè)儀及其相應(yīng)的平面度檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
平面度檢測(cè)是高質(zhì)量平面加工過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。對(duì)于大型零件而言，其平 面度檢測(cè)方法一般包括電子水平儀-跨橋法、三點(diǎn)支撐法和三坐標(biāo)測(cè)量法等幾種基本形式。這幾種方法的分辨率一般只有微米級(jí)，可以滿足大型零件的檢測(cè)要求。但是隨著超精密加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)較小零件的平面(如被檢平面只有幾十毫米乘以幾十毫米)，其平面度檢測(cè)要求比上述大型零件的檢測(cè)要求更高。因此，必須采用不同的方法來(lái)檢測(cè)。由于光學(xué)測(cè)量具有非接觸、無(wú)損傷和測(cè)試精度高等特點(diǎn)，因此可將其應(yīng)用于平面度的檢測(cè)。光學(xué)檢測(cè)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，相移干涉法的檢測(cè)精度要高得多，因此相移干涉法多應(yīng)用于對(duì)平面度檢測(cè)具有更高要求的領(lǐng)域。中國(guó)發(fā)明專利文獻(xiàn)CN102109331A利用激光束和位置傳感器來(lái)檢測(cè)平面度，解決了大平面、圓環(huán)和非連續(xù)平面的平面度測(cè)量問(wèn)題。但是，該文獻(xiàn)所介紹方法的精度只有微米級(jí)，沒(méi)有充分利用激光的干涉原理來(lái)提高測(cè)量精度，因此也不適用于較小平面的高精度平面度檢測(cè)要求。此外，若被測(cè)表面的反射性較差，或者被測(cè)表面的材料特性未知，將會(huì)導(dǎo)致難以確定的光波波長(zhǎng)損失，采用光學(xué)檢測(cè)法實(shí)施非接觸測(cè)量時(shí)將會(huì)得到不準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果O中國(guó)發(fā)明專利文獻(xiàn)CN101055172A提供了一種體積較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的平面度及平行度測(cè)試系統(tǒng)，可解決上述因非接觸帶來(lái)的測(cè)量不確定性問(wèn)題。但是，由于此文獻(xiàn)中所采用的檢測(cè)傳感器為千分表，其測(cè)量精度也只有微米級(jí)，同樣也不適用于較小平面的高精度平面度檢測(cè)要求。因此，現(xiàn)有的平面度檢測(cè)儀器主要存在兩個(gè)方面的問(wèn)題(I) 一般的測(cè)量方法檢測(cè)精度低，不能滿足高精度表面平面度的測(cè)量；(2)精度高的測(cè)量方法的檢測(cè)精度受到被測(cè)表面材料的光學(xué)性能的影響，若被測(cè)表面材料未知，則難以實(shí)現(xiàn)高精度表面平面度的測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于光干涉原理的超精密多探針平面度檢測(cè)儀及其相應(yīng)的檢測(cè)方法，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能多探針同時(shí)測(cè)量，充分利用光干涉的高精度特性并能有效避免非接觸測(cè)量受限于被測(cè)表面材料的光學(xué)性能的影響，以及測(cè)量精度高和成本低的特點(diǎn)。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種多探針平面度檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀包括測(cè)量探針陣列、測(cè)量物鏡、干涉顯微鏡、CCD成像裝置、垂直掃描工作臺(tái)和水平工作臺(tái)，其特征在于:所述干涉顯微鏡和CXD成像裝置通過(guò)連接套筒固定在所述垂直掃描工作臺(tái)上并隨著垂直掃描工作臺(tái)的上下移動(dòng)而移動(dòng)，其中干涉顯微鏡處于連接套筒的下部用于形成光的干涉條紋以便對(duì)被測(cè)樣品的平面度執(zhí)行檢測(cè)，CCD成像裝置處于連接套筒的上部用于對(duì)所產(chǎn)生的干涉條紋進(jìn)行成像顯示；所述測(cè)量探針陣列包括多個(gè)探針，這些探針安裝在同一支撐軸上并可繞著支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng)，各個(gè)探針的前端具有用于與被測(cè)樣品表面相接觸的探針針尖，后端具有平面反射鏡;所述測(cè)量物鏡固定安裝在所述干涉顯微鏡的下部并處于所述測(cè)量探針后端的平面反射鏡上方，用于對(duì)來(lái)自干涉顯微鏡的光或由所述平面反射鏡反射的光進(jìn)行匯聚；所述水平工作臺(tái)設(shè)置在所述測(cè)量探針陣列下方，用于放置被測(cè)樣品。通過(guò)按照本發(fā)明的多探針平面度檢測(cè)儀，由于采用干涉顯微鏡基于光的干涉原理來(lái)形成干涉條紋，并通過(guò)該干涉條紋來(lái)計(jì)算平面度，因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)樣品表面微小高度差的精確測(cè)量。此外，由于采用了安裝在同一支撐軸上的多個(gè)探針同時(shí)來(lái)對(duì)被測(cè)樣品表面進(jìn)行探測(cè)，這樣從干涉顯微鏡發(fā)出的光會(huì)被多個(gè)探針的后端各自具備的平面反射鏡共同反射，由測(cè)量物鏡會(huì)聚后返回干涉顯微鏡內(nèi)并同干涉顯微鏡內(nèi)固有的分光鏡所分出的一部分光所匯聚，由此形成了多個(gè)能夠反映被測(cè)樣品表面狀況的干涉條紋，相應(yīng)地，一方面可較大幅度地提高測(cè)量精度，另一方面能夠盡可能避免部分探針受到被測(cè)樣品表面光學(xué)性能的不利影響，由此減少測(cè)量誤差的產(chǎn)生。作為進(jìn)一步優(yōu)選地,所述測(cè)量探針陣列包括九個(gè)探針,這九個(gè)探針在其中部依次以相等間距安裝在所述支撐軸上，各個(gè)探針后端的平面反射鏡到支撐軸的距離相等，并且各個(gè)探針前端的針尖在水平面上的投影形成三行乘三列的均勻分布陣列。通過(guò)將測(cè)量探針陣列設(shè)置為包括九個(gè)探針的陣列式分布而且各個(gè)探針后端的平面反射鏡到支撐軸的距離相等，可以通過(guò)調(diào)節(jié)垂直掃描工作臺(tái)以在CCD成像裝置中形成九簇清晰的干涉條紋，并通過(guò)這些干涉條紋之間的間距改變而獲得更為精確的平面度測(cè)量數(shù)值；此外，相等間距并以陣列式分布的探針使得它們與被測(cè)樣品表面之間的接觸點(diǎn)保持為均勻分布，這樣在提供均勻分布的干涉條紋的同時(shí)還便于執(zhí)行對(duì)所獲得干涉條紋的取樣和評(píng)定，從而進(jìn)一步提聞測(cè)量精度。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，對(duì)于所述探針針尖在水平面上所形成的三行乘三列的均勻分布陣列，該陣列的間距為IOmm 25mm。通過(guò)對(duì)各個(gè)探針針尖在水平面上所形成的分布陣列的間距進(jìn)行以上具體限定，一方面能夠保證各個(gè)探針針尖之間不相互發(fā)生安裝干涉，另一方面便于確保檢測(cè)過(guò)程中各個(gè)針尖同時(shí)與被測(cè)樣品表面相接觸，由此進(jìn)一步提高平面度檢測(cè)的精度。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述干涉顯微鏡包括光源、分光鏡、參考物鏡和反射鏡，其中光源用于產(chǎn)生和發(fā)射光，分光鏡用于將光源所發(fā)出的光分成兩束即射向所述測(cè)量物鏡的光束和射向參考物鏡的光束，所述參考物鏡用于對(duì)經(jīng)過(guò)分光鏡分光后射來(lái)的光束進(jìn)行匯聚，所述反射鏡用于將經(jīng)過(guò)參考物鏡會(huì)聚后的光束 執(zhí)行反射，從而與射向測(cè)量物鏡并由探針后端的平面反射鏡所反射返回的光束相匯聚由此產(chǎn)生干涉條紋。按照以上構(gòu)思的干涉顯微鏡結(jié)構(gòu)，能夠以簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)光線的分光、匯聚和干涉條紋的產(chǎn)生，并被CCD成像裝置所接收，由此能充分利用光干涉的高精度特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品平面度的檢測(cè)。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述干涉顯微鏡的光源所發(fā)出的是白光或激光。由于采用白光或激光作為光源來(lái)實(shí)現(xiàn)光的干涉，CCD成像裝置所接收的信號(hào)為白光或激光干涉條紋，這樣可以通過(guò)簡(jiǎn)單的光源形式即可執(zhí)行平面度檢測(cè)，并便于操作及更換光源。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述水平工作臺(tái)包括設(shè)置在工作臺(tái)面一側(cè)的一個(gè)固定支承和設(shè)置在工作臺(tái)面另外一側(cè)的兩個(gè)可調(diào)支承，并具有用于使水平工作臺(tái)整體沿著X軸方向移動(dòng)的X向移動(dòng)調(diào)節(jié)裝置和用于使水平工作臺(tái)整體沿著Y軸方向移動(dòng)的Y向移動(dòng)調(diào)節(jié)裝置。通過(guò)對(duì)水平工作臺(tái)設(shè)置以上的支承結(jié)構(gòu)，可以在測(cè)量進(jìn)行之前，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)支承及其與固定支承之間的配合來(lái)確保被測(cè)樣品水平地處于工作臺(tái)上以備測(cè)量，由此可充分利用白光干涉測(cè)量方法的高分辨率，并減少垂直工作臺(tái)垂直掃描的行程；此外，由于水平工作臺(tái)配置有X、Y軸兩個(gè)方向的移動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，這樣可以便利地移動(dòng)及調(diào)節(jié)水平工作臺(tái)及工作臺(tái)面上的被測(cè)樣品，由此使探針與被測(cè)樣品的不同區(qū)域相接觸并得出平面度相關(guān)信息。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述多探針平面度檢測(cè)儀還包括分別與所述垂直掃描工作臺(tái)和CCD成像裝置相連的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，該計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)用于控制所述垂直掃描工作臺(tái)的上下移動(dòng)，并對(duì)所述CCD成像裝置形成干涉條紋予以顯示輸出及通過(guò)后置處理計(jì)算出對(duì)應(yīng)的平面度。通過(guò)對(duì)按照本發(fā)明的多探針平面度檢測(cè)儀配置計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)平面度檢測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化操作，并便于根據(jù)干涉條紋來(lái)快速計(jì)算及輸出有關(guān)被測(cè)樣品的平面度數(shù)據(jù)，由此提高工作效率。按照本發(fā)明的另一方面，還提供了相應(yīng)的平面度檢測(cè)方法，該方法包括下列步驟在執(zhí)行平面度檢測(cè)之前，先以一塊標(biāo)準(zhǔn)平面度的表面作為測(cè)量對(duì)象，對(duì)各個(gè)探針?biāo)纬筛缮鏃l紋的相對(duì)距離進(jìn)行預(yù)標(biāo)定；將被測(cè)樣品放置在水平工作臺(tái)上，并使得測(cè)量探針陣列各個(gè)探針的探針針尖保持與被測(cè)樣品表面相接觸，接著通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)支承并配合電感測(cè)微表來(lái)調(diào)節(jié)被測(cè)表面，由此使得被測(cè)表面在電感測(cè)微表的測(cè)量分辨率范圍內(nèi)保持水平；通過(guò)驅(qū)動(dòng)垂直工作臺(tái)，使得C⑶成像裝置中出現(xiàn)九簇干涉條紋，然后從中選擇一簇干涉條紋作為基準(zhǔn)條紋，并依據(jù)其他干涉條紋與該基準(zhǔn)條紋之間的相對(duì)距離，獲得與被測(cè)表面平面度相關(guān)的測(cè)量數(shù)據(jù)；對(duì)所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行后置評(píng)定處理，計(jì)算得出被測(cè)樣品的平面度，由此完成整個(gè)平面度檢測(cè)過(guò)程。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，采用三角形準(zhǔn)則或交叉準(zhǔn)則來(lái)執(zhí)行所述后置評(píng)定處理過(guò)程?？傮w而言，按照本發(fā)明的多探針平面度檢測(cè)儀及其相應(yīng)的檢測(cè)方法，由于以多探針同時(shí)測(cè)量，能夠充分利用光干涉的高精度特性以更高的測(cè)量精度測(cè)量較小表面的平面度，并有效避免非接觸測(cè)量受限于被測(cè)表面材料的光學(xué)性能的影響；此外通過(guò)對(duì)探針設(shè)置方式、間距等參數(shù)及其他組件結(jié)構(gòu)的設(shè)置，可以以簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)分辨率達(dá)到納米級(jí)的平面度檢測(cè)，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化顯示及計(jì)算、降低測(cè)量誤差和便于操作等方面的效果。


圖I為按照本發(fā)明的多探針平面度檢測(cè)儀的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖I中所示干涉顯微鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為按照本發(fā)明由九根探針組成的測(cè)量探針陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖3中探針陣列尾部反射鏡部分的局部放大示意圖。在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用于表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中
I測(cè)量探針陣列2測(cè)量物鏡3干涉顯微鏡4連接套筒5CXD成像裝置6垂直掃描工作臺(tái)7電機(jī)8計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)9被測(cè)樣品10水平工作臺(tái)11固定支承12Y向移動(dòng)調(diào)節(jié)裝置13可調(diào)支承14X向移動(dòng)調(diào)節(jié)裝置15支撐軸16光源17聚光物鏡18孔徑光闌19視場(chǎng)光闌20照明物鏡21放大鏡22分光鏡23補(bǔ)償板24參考物鏡25反射鏡
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。圖I為按照本發(fā)明的多探針平面度檢測(cè)儀的整體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖I所示，按照本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的平面度檢測(cè)儀包括測(cè)量探針陣列I、測(cè)量物鏡2、干涉顯微鏡3、CXD成像裝置5、垂直掃描工作臺(tái)6，以及水平工作臺(tái)10等部件。連接套筒4的背面可以固定在垂直掃描工作臺(tái)6的可動(dòng)部分上，該可動(dòng)部分與電機(jī)7相連，由此實(shí)現(xiàn)垂直掃描工作臺(tái)6在垂直方向上的上下移動(dòng)。干涉顯微鏡3和CXD成像裝置5通過(guò)連接套筒4分別固定在垂直掃描工作臺(tái)6的下部和上部，并隨著垂直掃描工作臺(tái)6的上下移動(dòng)而移動(dòng)。干涉顯微鏡3的結(jié)構(gòu)組成具體如圖2所示，其作用在于發(fā)出光并經(jīng)過(guò)光的分光及傳遞后形成光的干涉條紋，并根據(jù)干涉條紋來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)樣品的平面度檢測(cè)。CCD成像裝置5則用于對(duì)所產(chǎn)生的干涉條紋進(jìn)行成像顯示。測(cè)量探針陣列I安裝在同一個(gè)支撐軸15上，并可繞支撐軸15轉(zhuǎn)動(dòng)。測(cè)量探針陣列I包括有多個(gè)探針，其中各個(gè)探針在其前端分別具有用于與被測(cè)樣品表面相接觸的探針針尖，并在其后端分別裝置有一塊微型平面反射鏡用于對(duì)入射光進(jìn)行反射。所有平面反射鏡均處于測(cè)量物鏡2的視場(chǎng)范圍之內(nèi)。當(dāng)來(lái)自干涉顯微鏡3的入射光射向平面反射鏡時(shí)，固定安裝在干涉顯微鏡3下部的測(cè)量物鏡2首先對(duì)光進(jìn)行匯聚，然后射向各個(gè)探針后端的平面反射鏡，各個(gè)平面反射鏡對(duì)光進(jìn)行反射并由測(cè)量物鏡2再次匯聚，然后返回至干涉顯微鏡3內(nèi)部。在測(cè)量探針陣列I的下方，設(shè)置有用于放置被測(cè)樣品的水平工作臺(tái)10。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，水平工作臺(tái)10包括設(shè)置在其工作臺(tái)面一側(cè)的一個(gè)固定支承11和設(shè)置在其工作臺(tái)面另外一側(cè)的兩個(gè)可調(diào)支承13。由于三點(diǎn)可以確定一個(gè)平面，通過(guò)對(duì)水平工作臺(tái)10設(shè)置以上的支承結(jié)構(gòu)，可以在測(cè)量進(jìn)行之前，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)支承13及其與固定支承11之間的配合來(lái)確保被測(cè)樣品水平地處于工作臺(tái)上以便進(jìn)行測(cè)量，由此可充分利用白光干涉測(cè)量方法的高分辨率，并減少垂直工作臺(tái)垂直掃描的行程。此外，水平工作臺(tái)10還可以具有用于使其整體沿著X軸方向移動(dòng)的X向移動(dòng)調(diào)節(jié)裝置14和用于使其整體沿著Y軸方向移動(dòng)的Y向移動(dòng)調(diào)節(jié)裝置12，在圖I中，這些移動(dòng)調(diào)節(jié)裝置可以分別譬如是設(shè)置在水平工作臺(tái)側(cè)面上的微動(dòng)旋鈕，這樣可以便利地移動(dòng)及調(diào)節(jié)水平工作臺(tái)及工作臺(tái)面上的被測(cè)樣品，由此使探針與被測(cè)樣品的不同區(qū)域相接觸并得出平面度相關(guān)信息。作為選擇，還可以將垂直掃描工作臺(tái)6和CXD成像裝置5分別通過(guò)如圖I中所示的線路與計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)8相連，計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)8用于控制垂直掃描工作臺(tái)6的上下移動(dòng)，并對(duì)CCD成像裝置5所形成的干涉條紋予以顯示輸出，以及通過(guò)后置評(píng)定處理計(jì)算出對(duì)應(yīng)的平面度等。由此，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)平面度檢測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化操作，并便于根據(jù)干涉條紋來(lái)直接計(jì)算輸出有關(guān)被測(cè)樣品的平面度數(shù)據(jù)，提高工作效率。圖2為圖I中所示干涉顯微鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2中所示，干涉顯微鏡3的基本內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括光源16、分光鏡22、參考物鏡24和反射鏡25，同時(shí)可以具有其他一些輔助構(gòu) 件，其中光源16用于產(chǎn)生和發(fā)射譬如白光或激光的光，分光鏡22用于將光源16所發(fā)出的光分成兩束，也即射向測(cè)量物鏡2的光束和射向參考物鏡24的光束，參考物鏡24用于對(duì)經(jīng)過(guò)分光鏡22分光后射來(lái)的光束進(jìn)行匯聚，反射鏡25用于將經(jīng)過(guò)參考物鏡24會(huì)聚后的光束執(zhí)行反射，從而與射向測(cè)量物鏡2并由測(cè)量探針陣列I的各個(gè)探針后端的平面反射鏡所反射返回的光束相匯聚由此產(chǎn)生干涉條紋。干涉顯微鏡3的具體成像過(guò)程為光源16發(fā)射的白光投射到聚光物鏡17上，通過(guò)孔徑光闌18、視場(chǎng)光闌19和照明物鏡20，投射到分光鏡22的前端面，經(jīng)過(guò)折射后入射到分光鏡22的后端面；入射到分光鏡22后端面的光線的一部分被反射到達(dá)分光鏡22前端面并發(fā)生折射，經(jīng)過(guò)測(cè)量物鏡2會(huì)聚到測(cè)量探針陣列I后端的反射鏡上并被反射，然后再次穿過(guò)測(cè)量物鏡2、分光板22 ;另一部分光線則通過(guò)補(bǔ)償板23、參考物鏡24投射到反射鏡25上并被反射回來(lái)，再次通過(guò)參考物鏡24、補(bǔ)償板14，投射到分光板22后端面上并被反射，并與從測(cè)量光路反射的光發(fā)生干涉，由此產(chǎn)生干涉條紋。這些干涉條紋經(jīng)放大鏡21放大后，在CXD成像裝置5上得以成像顯示。圖3為按照本發(fā)明由九根探針組成的測(cè)量探針陣列的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4為圖3中探針陣列尾部反射鏡部分的局部放大示意圖。如圖3和圖4中所示，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，測(cè)量探針陣列I可以由九根探針組成，各探針均可繞共同主軸即支撐軸15轉(zhuǎn)動(dòng)，每根探針的后端部放置有一個(gè)微型平面反射鏡，其前端具有探針針尖部分。這九個(gè)探針在其中部依次以相等間距10安裝在支撐軸15上，各個(gè)探針后端的平面反射鏡到支撐軸15的距離相等均為11+12，13為中間三根短探針針尖到支承軸15的距離。探針陣列I后端成輻射狀匯聚到測(cè)量物鏡2的測(cè)量視場(chǎng)范圍內(nèi)，并且各個(gè)探針前端的針尖在水平面上的投影形成三行乘三列的均勻分布陣列。通過(guò)將測(cè)量探針陣列按照以上方式設(shè)置，可以通過(guò)調(diào)節(jié)垂直掃描工作臺(tái)6以在CCD成像裝置5中形成九簇清晰的干涉條紋，并通過(guò)這些干涉條紋之間的間距改變而獲得精確的平面度測(cè)量數(shù)值；此外，均勻陣列式分布的探針使得它們與被測(cè)樣品表面之間的接觸點(diǎn)保持為均勻分布，這樣在提供均勻分布的干涉條紋的同時(shí)還便于執(zhí)行對(duì)所獲得干涉條紋的取樣和評(píng)定，從而進(jìn)一步提聞測(cè)量精度。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，測(cè)量探針陣列I的各個(gè)探針在其中部依次譬如以7. 5mm的間距安裝在支撐軸15上，并且各個(gè)探針后端的平面反射鏡到支撐軸15的距離均為60mm。此外，九個(gè)探針針尖在水平面上所形成的三行乘三列的均勻分布陣列的間距可以限定為IOmm 25mm，這樣一方面能夠保證各個(gè)探針針尖之間不相互發(fā)生安裝干涉，另一方面便于確保檢測(cè)過(guò)程中各個(gè)針尖同時(shí)與被測(cè)樣品表面相接觸，由此進(jìn)一步提高平面度檢測(cè)的精度。按照本發(fā)明的平面度檢測(cè)儀的測(cè)量原理及過(guò)程是干涉顯微鏡4內(nèi)部的光源所發(fā)出的光例如白光經(jīng)過(guò)分光后，一部分經(jīng)過(guò)測(cè)量物鏡2會(huì)聚到探針陣列I尾部的九個(gè)反射鏡上并被反射，進(jìn)入干涉顯微鏡3內(nèi)部；另一部分通過(guò)干涉顯微鏡3內(nèi)部的參考物鏡24投射到反射鏡25上并被反射回干涉顯微鏡3內(nèi)部，與由探針陣列I尾部的九個(gè)反射鏡反射的白光匯聚，其中每個(gè)反射鏡反射的光均形成一簇干涉條紋，即產(chǎn)生九簇白光干涉條紋。干涉條紋經(jīng)干涉顯微鏡3內(nèi)部放大鏡放大后，在C⑶成像裝置5成像平面上成像。由于探針陣列I的針尖放置在不同的被測(cè)表面上，當(dāng)被測(cè)樣品的表面存在不平整情況時(shí)，會(huì)引起針后端的反射鏡沿著測(cè)量物鏡2光軸軸線方向的移動(dòng)，由此改變測(cè)量光路的光程，并相應(yīng)導(dǎo)致白光干涉條紋產(chǎn)生移動(dòng)。這樣，可以以其中一根探針?biāo)鸬母缮鏃l紋作為基準(zhǔn)條紋，對(duì)其他八根探針?biāo)鸬陌坠飧缮鏃l紋在CCD成像裝置成像平面上對(duì)此基準(zhǔn)條紋的相對(duì)移動(dòng)量進(jìn)行計(jì)量，即可獲得被測(cè)表面上的平面度測(cè)量數(shù)據(jù)。 下面將具體描述利用按照本發(fā)明的檢測(cè)儀來(lái)執(zhí)行平面度檢測(cè)的方法首先，在執(zhí)行平面度檢測(cè)之前，先以一塊標(biāo)準(zhǔn)的高精度平面度表面也即理想平面度的表面作為測(cè)量對(duì)象，對(duì)各個(gè)探針?biāo)纬筛缮鏃l紋的相對(duì)距離進(jìn)行預(yù)標(biāo)定；然后將被測(cè)樣品放置在水平工作臺(tái)上，使得測(cè)量探針陣列各個(gè)探針的探針針尖保持與被測(cè)樣品表面相接觸，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)支承并配合電感測(cè)微表來(lái)調(diào)節(jié)被測(cè)表面，由此使得被測(cè)表面在電感測(cè)微表的測(cè)量分辨率范圍內(nèi)保持水平；接著，可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)垂直工作臺(tái)，使得CCD成像裝置中出現(xiàn)九簇干涉條紋，從中選擇一簇干涉條紋作為基準(zhǔn)條紋，并依據(jù)其他干涉條紋與該基準(zhǔn)條紋之間的相對(duì)距離，由此獲得與被測(cè)表面平面度相關(guān)的測(cè)量數(shù)據(jù)；最后，對(duì)所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行譬如三角形準(zhǔn)則或交叉準(zhǔn)則等這些平面度誤差評(píng)定方法來(lái)執(zhí)行后置處理，計(jì)算得出被測(cè)樣品的平面度，由此完成整個(gè)平面度檢測(cè)過(guò)程。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種多探針平面度檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀包括測(cè)量探針陣列(I)、測(cè)量物鏡(2)、干涉顯微鏡(3)、C⑶成像裝置(5)、垂直掃描工作臺(tái)(6)和水平工作臺(tái)(10)，其中 所述干涉顯微鏡(3)和CCD成像裝置(5)通過(guò)連接套筒(4)固定在所述垂直掃描工作臺(tái)(6)上并隨著垂直掃描工作臺(tái)(6)的上下移動(dòng)而移動(dòng)，其中干涉顯微鏡(3)處于連接套筒(4)的下部用于形成光的干涉條紋以便對(duì)被測(cè)樣品的平面度執(zhí)行檢測(cè)，CCD成像裝置(5)處于連接套筒(4)的上部用于對(duì)所產(chǎn)生的干涉條紋進(jìn)行成像顯示； 所述測(cè)量探針陣列(I)包括多個(gè)探針，這些探針安裝在同一支撐軸上并可繞著支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng)，各個(gè)探針的前端具有用于與被測(cè)樣品表面相 接觸的探針針尖，后端具有平面反射鏡; 所述測(cè)量物鏡(2)固定安裝在所述干涉顯微鏡(3)的下部并處于所述測(cè)量探針后端的平面反射鏡上方，用于對(duì)來(lái)自干涉顯微鏡(3)的光或由所述平面反射鏡反射的光進(jìn)行匯聚； 所述水平工作臺(tái)(10)設(shè)置在所述測(cè)量探針陣列(I)下方，用于放置被測(cè)樣品。
2.如權(quán)利要求I所述的多探針平面度檢測(cè)儀，其特征在于，所述測(cè)量探針陣列(I)包括九個(gè)探針，這九個(gè)探針在其中部依次以相等間距安裝在所述支撐軸上，各個(gè)探針后端的平面反射鏡到支撐軸的距離相等，并且各個(gè)探針前端的針尖在水平面上的投影形成三行乘三列的均勻分布陣列。
3.如權(quán)利要求2所述的多探針平面度檢測(cè)儀，其特征在于，對(duì)于所述探針針尖在水平面上所形成的三行乘三列的均勻分布陣列，該陣列的間距為IOmm 25mm。
4.如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的多探針平面度檢測(cè)儀，其特征在于，所述干涉顯微鏡(3)包括光源(16)、分光鏡(22)、參考物鏡(24)和反射鏡(25),其中光源(16)用于產(chǎn)生和發(fā)射光，分光鏡(22)用于將光源(16)所發(fā)出的光分成兩束即射向所述測(cè)量物鏡(2)的光束和射向參考物鏡(24)的光束,所述參考物鏡(24)用于對(duì)經(jīng)過(guò)分光鏡(22)分光后射來(lái)的光束進(jìn)行匯聚，所述反射鏡(25)用于將經(jīng)過(guò)參考物鏡(24)會(huì)聚后的光束執(zhí)行反射，從而與射向測(cè)量物鏡(2)并由探針后端的平面反射鏡所反射返回的光束相匯聚由此產(chǎn)生干涉條紋。
5.如權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的多探針平面度檢測(cè)儀，其特征在于，所述干涉顯微鏡(3)的光源(16)所發(fā)出的例如是白光或激光。
6.如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的多探針平面度檢測(cè)儀，其特征在于，所述水平工作臺(tái)(10)包括設(shè)置在工作臺(tái)面一側(cè)的一個(gè)固定支承(11)和設(shè)置在工作臺(tái)面另外一側(cè)的兩個(gè)可調(diào)支承(13)，并具有用于使水平工作臺(tái)整體沿著X軸方向移動(dòng)的X向移動(dòng)調(diào)節(jié)裝置(14)和用于使水平工作臺(tái)整體沿著Y軸方向移動(dòng)的Y向移動(dòng)調(diào)節(jié)裝置(12)。
7.如權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)所述的多探針平面度檢測(cè)儀，其特征在于，所述多探針平面度檢測(cè)儀還包括分別與所述垂直掃描工作臺(tái)(6)和CCD成像裝置(5)相連的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)(8)，該計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)(8)用于控制所述垂直掃描工作臺(tái)(6)的上下移動(dòng)，并對(duì)所述C⑶成像裝置(5)形成干涉條紋予以顯示輸出及通過(guò)后置處理計(jì)算出對(duì)應(yīng)的平面度。
8.一種使用如權(quán)利要求1-7任意一項(xiàng)所述的檢測(cè)儀來(lái)執(zhí)行平面度檢測(cè)的方法，該方法包括下列步驟 在執(zhí)行平面度檢測(cè)之前，先以一塊標(biāo)準(zhǔn)平面度的表面作為測(cè)量對(duì)象，對(duì)各個(gè)探針?biāo)纬筛缮鏃l紋的相對(duì)距離進(jìn)行預(yù)標(biāo)定； 將被測(cè)樣品放置在水平工作臺(tái)上，并使得測(cè)量探針陣列各個(gè)探針的探針針尖保持與被測(cè)樣品表面相接觸，接著通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)支承并配合電感測(cè)微表來(lái)調(diào)節(jié)被測(cè)表面，由此使得被測(cè)表面在電感測(cè)微表的測(cè)量分辨率范圍內(nèi)保持水平； 通過(guò)驅(qū)動(dòng)垂直工作臺(tái)，使得CCD成像裝置中出現(xiàn)九簇干涉條紋，然后從中選擇一簇干涉條紋作為基準(zhǔn)條紋，并依據(jù)其他干涉條紋與該基準(zhǔn)條紋之間的相對(duì)距離，獲得與被測(cè)表面平面度相關(guān)的測(cè)量數(shù)據(jù)；以及 對(duì)所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行后置評(píng)定處理，計(jì)算得出被測(cè)樣品的平面度，由此完成整個(gè)平面度檢測(cè)過(guò)程。
9.如權(quán)利要求8所述的平面度檢測(cè)的方法，其特征在于，采用三角形準(zhǔn)則或交叉準(zhǔn)則來(lái)執(zhí)行所述后置評(píng)定處理過(guò)程。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多探針平面度檢測(cè)儀及其相應(yīng)的檢測(cè)方法，該檢測(cè)儀包括測(cè)量探針陣列、測(cè)量物鏡、干涉顯微鏡、CCD成像裝置、垂直掃描工作臺(tái)和水平工作臺(tái)，其中干涉顯微鏡和CCD成像裝置設(shè)置在垂直掃描工作臺(tái)上，分別用于形成光的干涉條紋和干涉條紋的成像；測(cè)量探針陣列包括多個(gè)探針，這些探針各自的前端具有探針針尖，后端具有平面反射鏡；測(cè)量物鏡固定安裝在干涉顯微鏡下部并處于探針平面反射鏡上方，用于對(duì)光線進(jìn)行匯聚；水平工作臺(tái)設(shè)置在測(cè)量探針陣列下方用于放置被測(cè)樣品。按照本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)多探針同時(shí)測(cè)量，充分利用光干涉的高精度特性并有效避免測(cè)量時(shí)被測(cè)表面材料光學(xué)性能的影響，相應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高和成本低的效果。
文檔編號(hào)G01B11/30GK102620690SQ201210094438
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月1日
發(fā)明者盧文龍, 常素萍, 王生懷, 謝鐵邦, 陳育榮 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)