超精加工表面粗糙度的激光测量仪

　　随着科学技术的发展，对超精加工表面的需求不断增长，如X射线元件、同步辐射器反射镜、大规模集成电路元件基片、光盘等。为保证加工质量，必须对其表面粗糙度进行精确测量。目前通用的触针式轮廓仪虽然具有很高的测量灵敏度和分辨率，但极易划伤被测表面。用光学方法测量表面粗糙度具有非接触、快速和高精度的优点，正受到人们的广泛重视。本文研制的超精加工表面粗糙度的激光测量仪，采用声光调制外差测量原理、共光路干涉仪结构和鉴相信号处理方法，具有很高，的测量灵敏度和很强的抗振动干扰能力。仪器结构简单，性能可靠，纵向分辨率0.4nm，横向分辨率1.72um，测量不确定度为4.Inm。

　　测量原理

　　表面粗糙度激光测量仪的光学系统如图1所示。从He一Ne激光器发出的线偏振光(频率f。)被分光镜BS ₁，分成两束，分别进入声光调制器AOM ₁(调制频率f ₁=40MHz)和AOM ₂ (调制频率f ₂=41MHz)。AOM ₁的一级衍射光(频率f。十f ₁)作为参考光，通过反射镜M ₁和扩束准直镜L ₁、L ₂，由透镜L ₅会聚到物镜L ₆的后焦点上，经L。变成平行光人射到被测表面上.AOM ₂的一级衍射光(频率f0+f2)作为测量光，通过反射镜MZ和扩束准直镜L ₃、L ₄，由物镜L ₆在被测表面上会聚成光点。

　　测量光和参考光从被测表面反射回来，经物镜波片和分光镜BS ₂，由偏振分光镜PBS反射进入光电探测器PD ₁，形成一个光拍信号。光拍的强度为:

　　其中a为激光振幅，为传输路径不同所引入的测量光和参考光之间的相位差，为被测表面轮廓高低所造成的测量光和参考光之间的相位差。

　　测量光和参考光各自经分光镜BS ₂的透射光和反射光，进入光电探测器PD ₂，形成另一个光拍信号，其强度为:

　　两个光拍信号的相位差为

　　设被测表面上测量光点对应的表面轮廓高度与参考光斑对应的表面轮廓平均高度之间的差值为h，则有为光波波长。

　　这样，通过测量PD ₁和PD ₂输出信号的相位差，就可得到被测表面的微观几何形状。

　　本文所设计的光学系统具有如下特点:

　　1.测量光和参考光共路入射到被测表面上，可以消除由外界振动和导轨运动误差所造成的被测表面不稳定性对测量精度的影响。

　　2.两个光电探测器的信号比相测量具有共模抑制作用，可以消除由温度漂移和机械结构不稳定性所引起的干涉仪非共路光束的光程差变化对测量精度的影响。