一种光学无接触式扫描大深径比小孔的测量装置及方法

1.本发明属于扫描测量领域，更具体地，涉及一种光学无接触式扫描大深径比小孔的测量装置及方法。


背景技术：

2.在现代工业生产中，对于零件的特定尺寸和形貌进行高精度的检测是高质量生产的重要保证。高速背板连接器是一种可以连接多层pcb板，同时为pcb板各层提供电力与机械连接的重要器件，在高速信号传输过程中起到关键作用。当高速背板连接器连接至pcb板后，还会在pcb板上形成面积大小约为36mm*36mm的微小盲孔阵列。当高速背板连接器未连接pcb板时，pcb板上的小孔孔深一般为4mm，当连接上高速背板连接器连接pcb板时，pcb板上的小孔与连接器的带针底座会形成深度为5mm的盲孔，同时底部微针的高度约为1.5mm，而pcb板小孔孔径为200μm-300μm，所以这种小孔的深径比一般高达15-25。当高速连接器未正确连接上pcb板时，如错位使得底部没有针或如插入时针被顶歪，都会使得高速背板连接器失去效果。因此需要一种能对孔径为亚毫米级别的大深径比进行底部信息探测的手段。
3.现有的传统测量设备主要有表面轮廓仪和椭偏仪等，这类设备一般不具备非接触式测量能力，测量时会对待测样品表面产生磨损，或在将探针深入微孔后对高速背板连接器底部的微针造成损伤；而类似其他光学测量手段，如共聚焦显微镜虽然可以获取小孔的深度信息，但是不能获取小孔底部的形貌信息，无法满足实际需求。而白光干涉仪(wi-001，基恩士)虽然可以获取小孔的形貌信息，但是其表面测量范围只有1mm*1mm，而单次测量的深度范围只有1.4mm，对于36mm*36mm范围的且深度达到5mm的小孔阵列需要进行多次重复测量，误差大且效率低下。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种光学无接触式扫描大深径比小孔的测量装置及方法，旨在解决现有的光学测量技术如白光干涉仪对小孔的测量深度范围只有1.4mm，对深度达到5mm的小孔阵列需要进行多次重复测量，误差大且效率低的问题。
5.为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种光学无接触式扫描小孔的测量装置，包括：计算机、二维振镜系统、光谱仪、光源、分束器和反射镜；
6.计算机的输入端连接光谱仪的输出端，其输出端连接二维振镜系统的输入端；分束器的输入端连接光源，其第一输出端连接反射镜，其第二输出端连接光谱仪；二维振镜系统的输出端正对待测小孔区域；
7.光源用于输出宽光谱入射光；分束器用于将宽光谱入射光分为第一子光束和第二子光束，并且接收第一子光束在待测小孔区域反射生成的反射光；反射镜用于将第二子光束反射，生成参考光；计算机用于产生控制二维振镜系统的电压控制信号；二维振镜系统用于在电压控制信号的控制下旋转，使第一子光束到达待测小孔区域的扫描位置处，同时通过调节准直器和场镜的搭配，调节第一子光束的光斑大小和准直距离，实现对待测小孔区
域不同深径比小孔的测量；参考光与反射光在分束器中发生干涉；光谱仪用于对干涉信号进行光谱分析；计算机用于对光谱依次进行傅里叶变换和寻峰处理，获取待测小孔的深度信息和小孔底部的表面形貌信息。
8.进一步优选地，测量装置能够测量的小孔孔径大于或等于300μm，深度小于等于2.3cm；以及能够测量深径比75以下的底部表面形貌信息。
9.进一步优选地，分束器为光纤耦合器；
10.进一步优选地，反射镜为平面镜；
11.进一步优选地，二维振镜系统包括：x光学扫描头、y光学扫描头、准直器和场镜；
12.准直器和所述场镜用于通过各种搭配，控制所述第一子光束在待测小孔区域的光斑大小以及准直距离，实现对不同深径比小孔的测量；
13.x光学扫描头和所述y光学扫描头用于在电压控制信号的作用下旋转，实现对待测小孔区域的扫描。
14.进一步优选地，电压控制信号为锯齿电压信号和阶梯型电压信号；锯齿电压信号用于控制x光学扫描头的旋转；阶梯型电压信号用于控制y光学扫描头的旋转。
15.另一方面，本发明基于上述提供的测量装置提出了相应的测量方法，包括以下步骤：
16.将入射光分成第一子光束和第二子光束；
17.在二维振镜系统中添加电压控制信号，使第一子光束到达待测小孔区域，通过调节准直器和场镜的搭配，调节第一子光束的光斑大小和准直距离，对待测小孔区域进行扫描，经反射形成反射光；
18.将第二子光束反射形成参考光；
19.所述反射光与参考光发生干涉，对干涉信号进行光谱分析后依次进行傅里叶变换和寻峰处理，获取小孔的深度信息和小孔底部的表面形貌信息。
20.进一步优选地，电压控制信号为锯齿电压信号和阶梯型电压信号；锯齿电压信号用于控制x光学扫描头的旋转；阶梯型电压信号用于控制y光学扫描头的旋转。
21.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
22.本发明通过计算机产生不同的电压控制信号至二维振镜系统，使扫描光束到达待测小孔区域的扫描位置处，同时二维振镜系统入射光处的准直器和出射处场镜的不同选择搭配，可以控制扫描的单点光束的光斑大小以及准直距离，根据实验经验可知，可获取完整信息的最小形貌面积不能超过光斑直径的2倍，而可获取完整小孔信息的最大深度不能超过准直距离的2倍。因此，本发明提供的光学无接触式扫描大深径比小孔的测量装置可以测量孔径大于或等于300μm，同时深度小于或等于2.3cm，深径比达到75以下的底部形貌信息。
23.本发明中由于光谱仪对光谱干涉测量的灵敏度较高，使用二维振镜进行快速点扫描，可以使得一次测量的范围高达14mm*14mm，减少了扫描次数与时间，完全可以满足诸如高速背板连接器此类对大深径比小孔底部信息的测量需求。
附图说明
24.图1是本发明实施例提供的一种光学无接触式扫描大深径比小孔的测量装置示意
图；
25.标记说明：
26.1-计算机；2-二维振镜系统；3-光谱仪；4-光源；5-待测大深径比小孔；6-光纤耦合器；7-反射镜。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
28.下面介绍本发明涉及到的几个器件：
29.扫描振镜包括x光学扫描头和y光学扫描头，电子驱动放大器和光学反射镜镜头组成，通过驱动放大电路驱动光学扫描头，从而在x-y平面控制扫描光束的偏转。扫描原理为：扫描图案是二维效果图案，通过改变x光学扫描头和y光学扫描头的位置，一个时刻确定一个点的位置，通过扫描频率控制不同时刻点的位置达到整个扫描图案的变换。
30.光谱仪为将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用光谱仪可测量物体表面反射的光线。
31.实施例
32.本发明实施例提供了一种光学无接触式扫描大深径比小孔的测量装置，包括：计算机1、二维振镜系统2、光谱仪3、宽光谱光源4、光纤耦合器6和反射镜7；
33.计算机1的输入端连接光谱仪3的输出端，其输出端连接二维振镜系统2的输入端；光谱仪3的输入端连接光纤耦合器6的第二输出端口；光源4连接光纤耦合器6的输入端口；光纤耦合器6的第一输出端连接反射镜7；二维振镜系统2的输出端正对待测小孔区域，小孔参数为：孔径200μm；孔深4.5mm；针高：1.5mm；
34.宽光谱光源4产生入射光；光纤耦合器6实现50:50分束，生成第一子光束和第二子光束，第一子光束和第二子光束分别传输至二维振镜系统2和反射镜7上；计算机1控制信号卡产生二维振镜系统2中两列镜片的电压控制信号；二维振镜系统2在电压控制信号的作用下旋转两列镜片，使得第一子光束到达待测大深径比小孔区域5的当前扫描位置处；通过调节准直器和场镜的搭配，因此，通过控制二维振镜系统2中准直器和场镜的搭配，调节第一子光束的光斑大小和准直距离，进而可以实现对待测大深径比小孔区域5的大范围点扫描；在扫描过程的单点情况中，第一子光束经由小孔区域表面反射按原路返回至光纤耦合器6，作为反射光；第二子光束经由反射镜7反射后原路返回至光纤耦合器6，作为参考光；反射光和参考光在光纤耦合器6处发生干涉，得到的干涉信号经由光纤耦合器6传输至光谱仪3，光谱仪3用于接收干涉信号，并进行光谱分析；计算机1用于对光谱依次进行傅里叶变换和寻峰处理，获取大范围内待测大深径比小孔的深度信息和大范围内包括深孔底部的表面形貌信息。
35.基于上述的光学无接触式扫描大深径比小孔的测量方法，包括以下步骤：
36.将入射光分成第一子光束和第二子光束；
37.在二维振镜系统中添加电压控制信号，使第一子光束到达待测大深径比小孔区域进行扫描，经反射形成反射光；
38.将第二子光束反射形成参考光；
39.反射光与参考光发生干涉，对干涉信号进行光谱分析后依次进行傅里叶变换和寻峰处理，获取大范围内待测大深径比小孔的深度信息和大范围内深孔底部的表面形貌信息。
40.进一步优选地，二维振镜系统包括：x光学扫描头、y光学扫描头、准直器和场镜；
41.准直器和场镜各种搭配，用于控制第一子光束的光斑大小以及准直距离，实现对待测大深径比小孔区域扫描；
42.x光学扫描头和y光学扫描头用于在电压控制信号的作用下旋转，使第一子光束达到待测小孔区域。
43.进一步优选地，电压控制信号为锯齿的电压信号和阶梯型电压信号；锯齿电压信号用于控制x光学扫描头的旋转；阶梯型电压信号用于控制y光学扫描头的旋转。
44.本发明不限定为分束器一定为光纤耦合器，其他满足应用需求的分束器也可以替代光纤耦合器；
45.本发明中反射镜为平面镜。
46.本发明通过计算机产生不同的电压控制信号至二维振镜系统，使扫描光束到达待测小孔区域的扫描位置处，同时二维振镜系统入射光处的准直器和出射处场镜的不同选择搭配，可以控制扫描的单点光束的光斑大小以及准直距离，根据实验经验可知，可获取完整信息的最小形貌面积不能超过光斑直径的2倍，而可获取完整小孔信息的最大深度不能超过准直距离的2倍。因此，本发明提供的光学无接触式扫描大深径比小孔的测量装置可以测量孔径大于或等于300μm，同时深度小于或等于2.3cm，深径比达到75以下的底部形貌信息。
47.通过不同焦距的准直器和场镜组合后，经由实验验证得到几种不同光斑半径大小和准直距离的光束以及其对应的可测深径比，具体见表1；
48.表1
49.光斑半径(μm)准直距离(μm)可测深径比4.755549785.6004.55.70665964123.2645.47.133324549192.6006.757.925916166237.7777.58.594366927279.5768.1325301210.56788822422.7161010.93229816452.37110.3448275911.88887425534.99911.2513.20986028660.49312.513.98691088740.48413.2352941215.91549431958.76515.0602409616.398447241017.83515.5172413819.410406941426.07118.3673469420.980366321666.08819.8529411821.135776441690.86220
22.016433791834.70320.8333333329.115610413208.65927.5510204130.367494893490.51728.7356321879.5774715523969.11875.30120482
50.本发明中由于光谱仪对光谱干涉测量的灵敏度较高，使用二维振镜进行快速点扫描，可以使得一次测量的范围高达14mm*14mm，减少了扫描次数与时间，完全可以满足诸如高速背板连接器此类对大深径比小孔底部信息的测量需求。
51.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。