超精密加工表面微觀形貌的光學測量方法
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機械零件的表面加工質量不僅直接影響零件的使用性能，而且對產品的質量、可靠性及壽命也至關重要。隨著超精密加工技術的飛速發展，超精密加工表面的微觀形貌測量已成為超精密加工領域中亟待解決的關鍵課題。
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玻璃、有機玻璃、石英玻璃等光學材料，鍺、硅等半導體材料及銅、鋁等金屬材料。表面微觀形貌測量的傳統方法是機械觸針法，該方法可通過觸測直接獲得被測表面某一截面的輪廓曲線，經計算機進行數據處理分析，可得到接近真實輪廓的各種表面特征參數。雖然該類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，掃描隧道顯微鏡（STM）及其衍生物原子力顯微鏡（AFM）的出現，使表面微觀輪廓測量技術發生了革命性變革。該類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伺服控制系統，且儀器價格昂貴，測量范圍也較小，在實際應用中還需解決精密隔振技術、壓電陶瓷的控制等技術難題。自1960年激光器問世以來，由于激光具有單色性、相干性和方向性好、光強度高等特點，很快成為精密光學測量的理想光源，各種類型的激光干涉儀均以真空中的激光波長作為長度測量基準。主要采用激光作為測量光源的表面微觀形貌光學測量方法不僅能實現高精度的快速非接觸測量，而且系統結構簡單、成本低，因此在超精密表面非接觸測量領域得到了迅速發展。目前較為成熟的光學測量方法主要有差頻法、掃描法、干涉法、衍射法等，同時一些新的方法正在研究開發之中。下面介紹幾種較為典型的光學測量方法。
二、幾種典型的光學測量方法
1．X射線干涉儀
X射線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射線以布拉格角入射到X射線干涉儀上時，可在分析器后形成宏觀的莫爾干涉條紋。當分析器沿其反射晶面的法線方向移動時，每移動一個晶格間距，輸出光強就變化一個周期，通過記錄輸出光強的變化周期數，即可實現微位移測量。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射線干涉測量法的優點是測量分辨率及測量精度高，缺點是對環境要求較高，測量范圍相對較小。
圖1 X射線干涉儀結構原理圖
渥拉斯頓棱鏡型雙頻激光干涉儀的光學原理如圖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，經過λ／4波片后，兩束圓偏振光變成偏振方向相互垂直的線偏振光。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。透過分光器3的光束即為測量光束，它通過由透鏡16、17組成的望遠系統，經平面反射鏡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不同偏振方向的光分開，再通過物鏡13會聚于被測工件14表面上的兩點，反射光束經物鏡13后重新合成一束光，該光束再經透鏡10和偏振片11會聚于光電元件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上的參考信號進行比相，再經過計算機處理即可得到被測表面輪廓的高度變化。差動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輪廓。由于兩探測光點均落在工件上且距離很近，所以對振動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原理圖
同軸激光干涉儀的光學原理如圖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；測量光束通過分光器2到平面鏡5，然后通過方解石棱鏡6。通過棱鏡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，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原理圖
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