超精密加工表面微觀形貌的光學測量方法

圖4 雙焦激光干涉儀光學原理圖5．光外差干涉儀

自1960年Crane首先提出光外差干涉原理以來，光外差干涉技術在位移、振動及表面測量等領域得到了廣泛應用。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）。該方法的優點是抗外界干擾能力強，通過簡單的比相技術即可實現較高的測量分辨率，其缺點是非線性誤差較大。

圖5 光外差干涉儀光學原理圖三、表面微觀形貌光學測量技術的發展動態

自八十年代以來，陸續出現了多種測量原理的光學測量方法，如光切法、光學探針和干涉顯微鏡等。光學探針是以聚焦光束作為測量探針，利用不同的光學原理來檢測被測表面微觀形貌相對于聚焦光學系統的微小間距變化；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、測量精度高等優點，尤其是近年來相移干涉技術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1A，測量重復精度達0．1A。光切法和幾種光學探針及干涉顯微鏡測量系統的技術指標見下表。

近年來，表面微觀形貌光學測量方法日益受到重視，并在無損檢測領域得到了廣泛應用，產品也逐步商品化，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年美國洛克希德導彈公司的Huang采用光學共模抑制技術研制成功了光學外差輪廓儀。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。這兩種光學輪廓儀能獲得極高的分辨率，但缺點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，解決了參考光斑過小的問題。1990年英國倫敦大學的Offide研制的光學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發上也已取得了一些突破性進展。1986年成都科技大學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，清華大學古麗蓉等人采用聲光調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年華中理工大學的尤政應用差動干涉儀獲得了Ra1nm的分辨率。1993年浙江大學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現商品化，測量分辨率與國際先進水平相比相差1～2個數量級，還遠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、測量精度高等優點，但同時也存在明顯的不足之處，如表面相位易發生變化、對表面傾斜較敏感、量程小、定標困難等，實際應用時還存在漂移、低頻響應、振動識別等問題需要解決。由于利用光學方法測量表面形貌時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、電路噪聲及機械掃描機構運動誤差等的影響。此外，光學方法的測量速度較慢，光學系統的調整時間較長。目前超精密加工表面形貌測量技術的主要發展方向是提高測量系統橫向分辨率、實現三維形貌測量和在線檢測等。有關專家預測，在今后十年內，光學測量儀器在光學結構和機械結構方面的變化不會太大，主要的研究重點應放在測量軟件的開發上，只有重視軟件的開發和應用，才能使超精表面微觀形貌測量技術水平不斷提高。(end)