超精密加工表面微观形貌的光学测量方法

图4 双焦激光干涉仪光学原理图5．光外差干涉仪

自1960年Crane首先提出光外差干涉原理以来，光外差干涉技术在位移、振动及表面测量等领域得到了广泛应用。图5所示为用于纳米测量的光外差马赫—曾德干涉仪的光学原理。图中M1～M4为反射镜；AOM1、AOM2为声光调制器；Mr、Mm分别为参考平面镜和测量平面镜；BE1、BE2为扩束系统；BS1、BS2为分光镜；H1、H2为光阑；PD1、PD2为光电接收器。该仪器的测量原理是通过测量PD1和PD2输出的干涉信号的相位差变化量，从而得到测量镜Mm的位移量d＝λΔφ／720（式中λ为激光波长，Δφ的单位为度）。该方法的优点是抗外界干扰能力强，通过简单的比相技术即可实现较高的测量分辨率，其缺点是非线性误差较大。

图5 光外差干涉仪光学原理图三、表面微观形貌光学测量技术的发展动态

自八十年代以来，陆续出现了多种测量原理的光学测量方法，如光切法、光学探针和干涉显微镜等。光学探针是以聚焦光束作为测量探针，利用不同的光学原理来检测被测表面微观形貌相对于聚焦光学系统的微小间距变化；干涉显微镜是利用光波干涉原理来检测表面微观形貌，具有表面信息直观性好、测量精度高等优点，尤其是近年来相移干涉技术在干涉显微镜中的应用使其测量精度和测量速度均有大幅度的提高，其分辨率已超过1A，测量重复精度达0．1A。光切法和几种光学探针及干涉显微镜测量系统的技术指标见下表。

近年来，表面微观形貌光学测量方法日益受到重视，并在无损检测领域得到了广泛应用，产品也逐步商品化，其中包括FECO interforemeter等色级条纹法测量仪、Wyko公司的Mirau条纹扫描干涉仪、Zego公司的外差干涉仪等。1984年美国洛克希德导弹公司的Huang采用光学共模抑制技术研制成功了光学外差轮廓仪。1985年英国国家物理实验室的M．J．Downs采用双折射晶体制成聚焦物镜，研制成功了双焦轮廓仪。这两种光学轮廓仪能获得极高的分辨率，但缺点是参考光斑尺寸较小，测量时易引起误差。1986年瑞典皇家理工学院的Panter等人利用准直参考光束获得了直径较大的参考光斑，解决了参考光斑过小的问题。1990年英国伦敦大学的Offide研制的光学轮廓仪垂直分辨率达到0．3nm。国内许多科研单位在超精密表面非接触测量方法和仪器的研究开发上也已取得了一些突破性进展。1986年成都科技大学周肇飞教授等研制成功了同轴激光轮廓仪，解决了大参考光斑与高分辨率之间的矛盾。1990年，清华大学古丽蓉等人采用声光调制外差干涉仪测量磁盘表面，获得了1nm的分辨率，测量范围为±30μm。1992年华中理工大学的尤政应用差动干涉仪获得了Ra1nm的分辨率。1993年浙江大学卓永模等人研制的双焦轮廓仪获得了Ra2nm的垂直分辨率。但是，目前国内的干涉仪研究工作基本上还属于追踪性研究，研制的一些仪器还未实现商品化，测量分辨率与国际先进水平相比相差1～2个数量级，还远不能满足我国超精密加工表面检测的需要。

综上所述，超精密加工表面光学测量方法与触针式轮廓仪、扫描探针显微镜等相比，具有分辨率高、测量范围大、测量精度高等优点，但同时也存在明显的不足之处，如表面相位易发生变化、对表面倾斜较敏感、量程小、定标困难等，实际应用时还存在漂移、低频响应、振动识别等问题需要解决。由于利用光学方法测量表面形貌时需要配备结构复杂的高精度机械扫描机构，因此测量分辨率还要受到机械振动、电路噪声及机械扫描机构运动误差等的影响。此外，光学方法的测量速度较慢，光学系统的调整时间较长。目前超精密加工表面形貌测量技术的主要发展方向是提高测量系统横向分辨率、实现三维形貌测量和在线检测等。有关专家预测，在今后十年内，光学测量仪器在光学结构和机械结构方面的变化不会太大，主要的研究重点应放在测量软件的开发上，只有重视软件的开发和应用，才能使超精表面微观形貌测量技术水平不断提高。(end)