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超精密加工表面微觀(guān)形貌的光學(xué)測量方法
作者：
時(shí)間：2013-04-17
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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一、概述
機械零件的表面加工質(zhì)量不僅直接影響零件的使用性能，而且對產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性及壽命也至關(guān)重要。隨著(zhù)超精密加工技術(shù)的飛速發(fā)展，超精密加工表面的微觀(guān)形貌測量已成為超精密加工領(lǐng)域中亟待解決的關(guān)鍵課題。
超精密加工表面極為光滑，表面粗糙度Ra值在幾分之一納米到十幾納米之間。加工超光滑表面的材料主要有光學(xué)玻璃、有機玻璃、石英玻璃等光學(xué)材料，鍺、硅等半導體材料及銅、鋁等金屬材料。表面微觀(guān)形貌測量的傳統方法是機械觸針?lè )?，該方法可通過(guò)觸測直接獲得被測表面某一截面的輪廓曲線(xiàn)，經(jīng)計算機進(jìn)行數據處理分析，可得到接近真實(shí)輪廓的各種表面特征參數。雖然該類(lèi)儀器具有較高分辨率及較大量程（如Talystep觸針式輪廓儀分辨率可達0.1nm，測量范圍可達100μm），但由于測量時(shí)尖銳的金剛石觸針極易劃傷被測樣件的超光滑表面并引起測量誤差，因此其在超精密表面測量中的應用受到一定限制。近年來(lái)，掃描隧道顯微鏡（STM）及其衍生物原子力顯微鏡（AFM）的出現，使表面微觀(guān)輪廓測量技術(shù)發(fā)生了革命性變革。該類(lèi)儀器不但具有可達原子尺度的超高分辨率（橫向分辨率0．1nm，垂直分辨率0．01nm），還能獲得關(guān)于被測表面原子結構及功能特性的大量信息。但STM和AFM對測量環(huán)境要求苛刻，需要采取良好的隔振措施和配備復雜的傳感器運動(dòng)伺服控制系統，且儀器價(jià)格昂貴，測量范圍也較小，在實(shí)際應用中還需解決精密隔振技術(shù)、壓電陶瓷的控制等技術(shù)難題。自1960年激光器問(wèn)世以來(lái)，由于激光具有單色性、相干性和方向性好、光強度高等特點(diǎn)，很快成為精密光學(xué)測量的理想光源，各種類(lèi)型的激光干涉儀均以真空中的激光波長(cháng)作為長(cháng)度測量基準。主要采用激光作為測量光源的表面微觀(guān)形貌光學(xué)測量方法不僅能實(shí)現高精度的快速非接觸測量，而且系統結構簡(jiǎn)單、成本低，因此在超精密表面非接觸測量領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。目前較為成熟的光學(xué)測量方法主要有差頻法、掃描法、干涉法、衍射法等，同時(shí)一些新的方法正在研究開(kāi)發(fā)之中。下面介紹幾種較為典型的光學(xué)測量方法。
二、幾種典型的光學(xué)測量方法
1．X射線(xiàn)干涉儀
X射線(xiàn)干涉儀的結構原理如圖1所示。儀器主要由分束器S、鏡子M和分析器A構成，它們是在同一晶塊上制作的三片互相平行的截面為（111）或（220）的晶片，其材料需選用高度完整的單晶硅，因為單晶硅的晶格間距可以用作納米級精度的基本測量單位。當X射線(xiàn)以布拉格角入射到X射線(xiàn)干涉儀上時(shí)，可在分析器后形成宏觀(guān)的莫爾干涉條紋。當分析器沿其反射晶面的法線(xiàn)方向移動(dòng)時(shí)，每移動(dòng)一個(gè)晶格間距，輸出光強就變化一個(gè)周期，通過(guò)記錄輸出光強的變化周期數，即可實(shí)現微位移測量。由于硅晶格間距僅為0．19nm，所以測量分辨率可達亞納米級。X射線(xiàn)干涉測量法的優(yōu)點(diǎn)是測量分辨率及測量精度高，缺點(diǎn)是對環(huán)境要求較高，測量范圍相對較小。 
圖1 X射線(xiàn)干涉儀結構原理圖
2．差動(dòng)干涉儀
渥拉斯頓棱鏡型雙頻激光干涉儀的光學(xué)原理如圖2所示。激光器輸出頻率分別為f1、f2的光束，它們分別為左旋和右旋圓偏振光，經(jīng)過(guò)λ／4波片后，兩束圓偏振光變成偏振方向相互垂直的線(xiàn)偏振光。該光束由分光器3分為兩部分。向上反射部分作為參考光束，由透鏡5聚焦于光電元件6。偏振片4按45°放置，使會(huì )聚于光電元件的不同頻率的光束因具有相同的偏振方向而發(fā)生干涉，再由光電元件把干涉圖形的變化轉換為電信號送至放大器7。透過(guò)分光器3的光束即為測量光束，它通過(guò)由透鏡16、17組成的望遠系統，經(jīng)平面反射鏡15折向渥拉斯頓棱鏡12，渥拉斯頓棱鏡則把測量光束中兩個(gè)不同偏振方向的光分開(kāi)，再通過(guò)物鏡13會(huì )聚于被測工件14表面上的兩點(diǎn)，反射光束經(jīng)物鏡13后重新合成一束光，該光束再經(jīng)透鏡10和偏振片11會(huì )聚于光電元件9。光電元件9把干涉圖形的變化轉化為電信號送至放大器8，然后與放大器7上的參考信號進(jìn)行比相，再經(jīng)過(guò)計算機處理即可得到被測表面輪廓的高度變化。差動(dòng)干涉儀既可用于測量微小位移和微小臺階高度，也可用于測量表面微觀(guān)輪廓。由于兩探測光點(diǎn)均落在工件上且距離很近，所以對振動(dòng)和溫度的變化均不敏感，其分辨率可達0．1nm數量級。 
圖2 雙頻激光干涉儀光學(xué)原理圖
3．同軸干涉儀
同軸激光干涉儀的光學(xué)原理如圖3所示。儀器采用雙縱模熱穩頻激光器1作為光源，波片2將激光束分為參考光束和測量光束。參考光束通過(guò)與偏振方向成45°放置的偏振片P45°射到接收參考信號的雪崩二級管3上；測量光束通過(guò)分光器2到平面鏡5，然后通過(guò)方解石棱鏡6。通過(guò)棱鏡6的中心光束，由透鏡9聚焦于物鏡11的焦面上后成為平行光，該光束為參考臂。通過(guò)物鏡11和透鏡9的調節，參考臂在試件表面上的光斑直徑可在0．1～4mm之間變化。被方解石晶體分開(kāi)向左的光束作為測量臂，該光束聚焦于試件表面的最小直徑可達1μm。因此，當參考光斑的直徑足夠大時(shí)，參考臂幾乎不受輪廓變化的影響，測量臂能檢測出被測表面輪廓極微小的變化，該儀器的分辨率約為0．5nm。 
圖3 同軸激光干涉儀光學(xué)原理圖
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