超精密加工表面微觀形貌的光學(xué)測量方法
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雙焦激光干涉儀的光學(xué)原理如圖4所示。He-Ne激光器1輸出的偏振光束經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)2及1／2波片4后進(jìn)入雙焦透鏡組5。通過雙焦透鏡的特殊設(shè)計，可使尋常光的焦點(diǎn)趨于無窮遠(yuǎn)，而異常光的焦點(diǎn)位于有限遠(yuǎn)。這兩束光再經(jīng)過與異常光共焦的顯微物鏡6后，尋常光被聚焦于被測表面上，而異常光經(jīng)物鏡準(zhǔn)直后成為細(xì)平行光束，也射到被測表面上。這兩束光分別作為測量光束和參考光束，由被測表面反射回來后再經(jīng)雙焦透鏡重新會合，經(jīng)半反射鏡8、9和λ／4波片及檢偏器P1、P2后分別產(chǎn)生干涉，兩組干涉條紋分別由探測器D1、D2接收。檢偏器P1、P2相互垂直并由微型電機(jī)11驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生調(diào)制的干涉條紋信號。該系統(tǒng)可獲得Ra2nm的垂直分辨率，其缺點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不緊湊，易受電子器件漂移的影響，回光調(diào)整比較困難。
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，光外差干涉技術(shù)在位移、振動及表面測量等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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(diào)制器；Mr、Mm分別為參考平面鏡和測量平面鏡；BE1、BE2為擴(kuò)束系統(tǒng)；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，Δφ的單位為度）。該方法的優(yōu)點(diǎn)是抗外界干擾能力強(qiáng)，通過簡單的比相技術(shù)即可實現(xiàn)較高的測量分辨率，其缺點(diǎn)是非線性誤差較大。
圖5 光外差干涉儀光學(xué)原理圖三、表面微觀形貌光學(xué)測量技術(shù)的發(fā)展動態(tài)
自八十年代以來，陸續(xù)出現(xiàn)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)原理來檢測被測表面微觀形貌相對于聚焦光學(xué)系統(tǒng)的微小間距變化；干涉顯微鏡是利用光波干涉原理來檢測表面微觀形貌，具有表面信息直觀性好、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，尤其是近年來相移干涉技術(shù)在干涉顯微鏡中的應(yīng)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1A，測量重復(fù)精度達(dá)0．1A。光切法和幾種光學(xué)探針及干涉顯微鏡測量系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)見下表。
近年來，表面微觀形貌光學(xué)測量方法日益受到重視，并在無損檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品也逐步商品化，其中包括FECO interforemeter等色級條紋法測量儀、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(dǎo)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，測量時易引起誤差。1986年瑞典皇家理工學(xué)院的Panter等人利用準(zhǔn)直參考光束獲得了直徑較大的參考光斑，解決了參考光斑過小的問題。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(dá)到0．3nm。國內(nèi)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(diào)制外差干涉儀測量磁盤表面，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(yīng)用差動干涉儀獲得了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(nèi)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現(xiàn)商品化，測量分辨率與國際先進(jìn)水平相比相差1～2個數(shù)量級，還遠(yuǎn)不能滿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(biāo)困難等，實際應(yīng)用時還存在漂移、低頻響應(yīng)、振動識別等問題需要解決。由于利用光學(xué)方法測量表面形貌時需要配備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高精度機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)，因此測量分辨率還要受到機(jī)械振動、電路噪聲及機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)運(yùn)動誤差等的影響。此外，光學(xué)方法的測量速度較慢，光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)整時間較長。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(tǒng)橫向分辨率、實現(xiàn)三維形貌測量和在線檢測等。有關(guān)專家預(yù)測，在今后十年內(nèi)，光學(xué)測量儀器在光學(xué)結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的變化不會太大，主要的研究重點(diǎn)應(yīng)放在測量軟件的開發(fā)上，只有重視軟件的開發(fā)和應(yīng)用，才能使超精表面微觀形貌測量技術(shù)水平不斷提高。(end)
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