超精密加工表面微觀(guān)形貌的光學(xué)測量方法

圖4 雙焦激光干涉儀光學(xué)原理圖5．光外差干涉儀

自1960年Crane首先提出光外差干涉原理以來(lái)，光外差干涉技術(shù)在位移、振動(dòng)及表面測量等領(lǐng)域得到了廣泛應用。圖5所示為用于納米測量的光外差馬赫—曾德干涉儀的光學(xué)原理。圖中M1～M4為反射鏡；AOM1、AOM2為聲光調制器；Mr、Mm分別為參考平面鏡和測量平面鏡；BE1、BE2為擴束系統；BS1、BS2為分光鏡；H1、H2為光闌；PD1、PD2為光電接收器。該儀器的測量原理是通過(guò)測量PD1和PD2輸出的干涉信號的相位差變化量，從而得到測量鏡Mm的位移量d＝λΔφ／720（式中λ為激光波長(cháng)，Δφ的單位為度）。該方法的優(yōu)點(diǎn)是抗外界干擾能力強，通過(guò)簡(jiǎn)單的比相技術(shù)即可實(shí)現較高的測量分辨率，其缺點(diǎn)是非線(xiàn)性誤差較大。

圖5 光外差干涉儀光學(xué)原理圖三、表面微觀(guān)形貌光學(xué)測量技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)

自八十年代以來(lái)，陸續出現了多種測量原理的光學(xué)測量方法，如光切法、光學(xué)探針和干涉顯微鏡等。光學(xué)探針是以聚焦光束作為測量探針，利用不同的光學(xué)原理來(lái)檢測被測表面微觀(guān)形貌相對于聚焦光學(xué)系統的微小間距變化；干涉顯微鏡是利用光波干涉原理來(lái)檢測表面微觀(guān)形貌，具有表面信息直觀(guān)性好、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，尤其是近年來(lái)相移干涉技術(shù)在干涉顯微鏡中的應用使其測量精度和測量速度均有大幅度的提高，其分辨率已超過(guò)1A，測量重復精度達0．1A。光切法和幾種光學(xué)探針及干涉顯微鏡測量系統的技術(shù)指標見(jiàn)下表。

近年來(lái)，表面微觀(guān)形貌光學(xué)測量方法日益受到重視，并在無(wú)損檢測領(lǐng)域得到了廣泛應用，產(chǎn)品也逐步商品化，其中包括FECO interforemeter等色級條紋法測量?jì)x、Wyko公司的Mirau條紋掃描干涉儀、Zego公司的外差干涉儀等。1984年美國洛克希德導彈公司的Huang采用光學(xué)共模抑制技術(shù)研制成功了光學(xué)外差輪廓儀。1985年英國國家物理實(shí)驗室的M．J．Downs采用雙折射晶體制成聚焦物鏡，研制成功了雙焦輪廓儀。這兩種光學(xué)輪廓儀能獲得極高的分辨率，但缺點(diǎn)是參考光斑尺寸較小，測量時(shí)易引起誤差。1986年瑞典皇家理工學(xué)院的Panter等人利用準直參考光束獲得了直徑較大的參考光斑，解決了參考光斑過(guò)小的問(wèn)題。1990年英國倫敦大學(xué)的Offide研制的光學(xué)輪廓儀垂直分辨率達到0．3nm。國內許多科研單位在超精密表面非接觸測量方法和儀器的研究開(kāi)發(fā)上也已取得了一些突破性進(jìn)展。1986年成都科技大學(xué)周肇飛教授等研制成功了同軸激光輪廓儀，解決了大參考光斑與高分辨率之間的矛盾。1990年，清華大學(xué)古麗蓉等人采用聲光調制外差干涉儀測量磁盤(pán)表面，獲得了1nm的分辨率，測量范圍為±30μm。1992年華中理工大學(xué)的尤政應用差動(dòng)干涉儀獲得了Ra1nm的分辨率。1993年浙江大學(xué)卓永模等人研制的雙焦輪廓儀獲得了Ra2nm的垂直分辨率。但是，目前國內的干涉儀研究工作基本上還屬于追蹤性研究，研制的一些儀器還未實(shí)現商品化，測量分辨率與國際先進(jìn)水平相比相差1～2個(gè)數量級，還遠不能滿(mǎn)足我國超精密加工表面檢測的需要。

綜上所述，超精密加工表面光學(xué)測量方法與觸針式輪廓儀、掃描探針顯微鏡等相比，具有分辨率高、測量范圍大、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在明顯的不足之處，如表面相位易發(fā)生變化、對表面傾斜較敏感、量程小、定標困難等，實(shí)際應用時(shí)還存在漂移、低頻響應、振動(dòng)識別等問(wèn)題需要解決。由于利用光學(xué)方法測量表面形貌時(shí)需要配備結構復雜的高精度機械掃描機構，因此測量分辨率還要受到機械振動(dòng)、電路噪聲及機械掃描機構運動(dòng)誤差等的影響。此外，光學(xué)方法的測量速度較慢，光學(xué)系統的調整時(shí)間較長(cháng)。目前超精密加工表面形貌測量技術(shù)的主要發(fā)展方向是提高測量系統橫向分辨率、實(shí)現三維形貌測量和在線(xiàn)檢測等。有關(guān)專(zhuān)家預測，在今后十年內，光學(xué)測量?jì)x器在光學(xué)結構和機械結構方面的變化不會(huì )太大，主要的研究重點(diǎn)應放在測量軟件的開(kāi)發(fā)上，只有重視軟件的開(kāi)發(fā)和應用，才能使超精表面微觀(guān)形貌測量技術(shù)水平不斷提高。(end)