超精密加工表面微观形貌的光学测量方法

机械零件的表面加工质量不仅直接影响零件的使用性能,而且对产品的质量、可靠性及寿命也至关重要。随着超精密加工技术的飞速发展,超精密加工表面的微观形貌测量已成为超精密加工领域中亟待解决的关键课题。

超精密加工表面极为光滑,表面粗糙度Ra值在几分之一纳米到十几纳米之间。加工超光滑表面的材料主要有光学玻璃、有机玻璃、石英玻璃等光学材料,锗、硅等半导体材料及铜、铝等金属材料。表面微观形貌测量的传统方法是机械触针法,该方法可通过触测直接获得被测表面某一截面的轮廓曲线,经计算机进行数据处理分析,可得到接近真实轮廓的各种表面特征参数。虽然该类仪器具有较高分辨率及较大量程(如Talystep触针式轮廓仪分辨率可达0.1nm,测量范围可达100μm),但由于测量时尖锐的金刚石触针极易划伤被测样件的超光滑表面并引起测量误差,因此其在超精密表面测量中的应用受到一定限制。近年来,扫描隧道显微镜(STM)及其衍生物原子力显微镜(AFM)的出现,使表面微观轮廓测量技术发生了革命性变革。该类仪器不但具有可达原子尺度的超高分辨率(横向分辨率0．1nm,垂直分辨率0．01nm),还能获得关于被测表面原子结构及功能特性的大量信息。但STM和AFM对测量环境要求苛刻,需要采取良好的隔振措施和配备复杂的传感器运动伺服控制系统,且仪器价格昂贵,测量范围也较小,在实际应用中还需解决精密隔振技术、压电陶瓷的控制等技术难题。自1960年激光器问世以来,由于激光具有单色性、相干性和方向性好、光强度高等特点,很快成为精密光学测量的理想光源,各种类型的激光干涉仪均以真空中的激光波长作为长度测量基准。主要采用激光作为测量光源的表面微观形貌光学测量方法不仅能实现高精度的快速非接触测量,而且系统结构简单、成本低,因此在超精密表面非接触测量领域得到了迅速发展。目前较为成熟的光学测量方法主要有差频法、扫描法、干涉法、衍射法等,同时一些新的方法正在研究开发之中。下面介绍几种较为典型的光学测量方法。

一、几种典型的光学测量方法

1．X射线干涉仪

X射线干涉仪的结构原理如图1所示。仪器主要由分束器S、镜子M和分析器A构成,它们是在同一晶块上制作的三片互相平行的截面为(111)或(220)的晶片,其材料需选用高度完整的单晶硅,因为单晶硅的晶格间距可以用作纳米级精度的基本测量单位。当X射线以布拉格角入射到X射线干涉仪上时,可在分析器后形成宏观的莫尔干涉条纹。当分析器沿其反射晶面的法线方向移动时,每移动一个晶格间距,输出光强就变化一个周期,通过记录输出光强的变化周期数,即可实现微位移测量。由于硅晶格间距仅为0．19nm,所以测量分辨率可达亚纳米级。X射线干涉测量法的优点是测量分辨率及测量精度高,缺点是对环境要求较高,测量范围相对较小。

图1 X射线干涉仪结构原理图

2．差动干涉仪

渥拉斯顿棱镜型双频激光干涉仪的光学原理如图2所示。激光器输出频率分别为f1、f2的光束,它们分别为左旋和右旋圆偏振光,经过λ／4波片后,两束圆偏振光变成偏振方向相互垂直的线偏振光。该光束由分光器3分为两部分。向上反射部分作为参考光束,由透镜5聚焦于光电元件6。偏振片4按45°放置,使会聚于光电元件的不同频率的光束因具有相同的偏振方向而发生干涉,再由光电元件把干涉图形的变化转换为电信号送至放大器7。透过分光器3的光束即为测量光束,它通过由透镜16、17组成的望远系统,经平面反射镜15折向渥拉斯顿棱镜12,渥拉斯顿棱镜则把测量光束中两个不同偏振方向的光分开,再通过物镜13会聚于被测工件14表面上的两点,反射光束经物镜13后重新合成一束光,该光束再经透镜10和偏振片11会聚于光电元件9。光电元件9把干涉图形的变化转化为电信号送至放大器8,然后与放大器7上的参考信号进行比相,再经过计算机处理即可得到被测表面轮廓的高度变化。差动干涉仪既可用于测量微小位移和微小台阶高度,也可用于测量表面微观轮廓。由于两探测光点均落在工件上且距离很近,所以对振动和温度的变化均不敏感,其分辨率可达0．1nm数量级。

图2 双频激光干涉仪光学原理图

3．同轴干涉仪

同轴激光干涉仪的光学原理如图3所示。仪器采用双纵模热稳频激光器1作为光源,波片2将激光束分为参考光束和测量光束。参考光束通过与偏振方向成45°放置的偏振片P45°射到接收参考信号的雪崩二级管3上；测量光束通过分光器2到平面镜5,然后通过方解石棱镜6。通过棱镜6的中心光束,由透镜9聚焦于物镜11的焦面上后成为平行光,该光束为参考臂。通过物镜11和透镜9的调节,参考臂在试件表面上的光斑直径可在0．1～4mm之间变化。被方解石晶体分开向左的光束作为测量臂,该光束聚焦于试件表面的最小直径可达1μm。因此,当参考光斑的直径足够大时,参考臂几乎不受轮廓变化的影响,测量臂能检测出被测表面轮廓极微小的变化,该仪器的分辨率约为0．5nm。

图3 同轴激光干涉仪光学原理图

4．双焦干涉仪

双焦激光干涉仪的光学原理如图4所示。He-Ne激光器1输出的偏振光束经扩束准直系统2及1／2波片4后进入双焦透镜组5。通过双焦透镜的特殊设计,可使寻常光的焦点趋于无穷远,而异常光的焦点位于有限远。这两束光再经过与异常光共焦的显微物镜6后,寻常光被聚焦于被测表面上,而异常光经物镜准直后成为细平行光束,也射到被测表面上。这两束光分别作为测量光束和参考光束,由被测表面反射回来后再经双焦透镜重新会合,经半反射镜8、9和λ／4波片及检偏器P1、P2后分别产生干涉,两组干涉条纹分别由探测器D1、D2接收。检偏器P1、P2相互垂直并由微型电机11驱动旋转,产生调制的干涉条纹信号。该系统可获得Ra2nm的垂直分辨率,其缺点是系统结构不紧凑,易受电子器件漂移的影响,回光调整比较困难。

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

二、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1,测量重复精度达0．1。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。

表 测量方法 垂直分

辨率

辨率

量范围

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。

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