同步相移干涉表面精密测量

　　0　引言

　　表面加工质量的保证,通常由精密制造设备和合适的制造工艺来实现,其前提是制造系统必须具有良好的稳定性和可靠性。然而,高精密加工时,表面加工质量极易受到制造系统及其单元在静力学、动力学和热力学方面运行状态的影响[1-2]。为保证表面质量,现有的高精密表面加工(如表面精密磨削、金刚石单点加工等)不得不采取经常性的加工表面离线检测,以便于可能需要的工艺调整或补偿。如此质量控制方式将因为加工表面离线检测和重新置位的过程,工艺连续性、加工环境和状态的一致性受到破坏而降低工艺调整和补偿的可靠性,同时也降低效率。表面在线测量能保持工艺连续性,保持测量前后加工环境和状态的一致性,从而保证由表面检测所获得的工艺调整和质量控制的依据可靠,实现更为可靠的质量保证,并提高加工效率,因而受到高度重视。然而,一般精密表面测量方法(如激光波面干涉测量方法)由于对外界环境极度敏感,易受到在线环境下振动干扰的限制,难以用于在线测量。因此,表面在线精密测量是高精密制造领域的一个难题。

　　微电子、微机电系统(MEMS)、光电子信息技术和航空航天技术等的快速发展,对表面质量要求正稳步提高[3],表面在线精密测量及质量控制问题因而变得更为突出,需开发适用于在线条件下表面精密测量和有效质量控制的方法[3-4]。为此,本文基于激光波面干涉表面测量原理[5-7],提出以偏振相移[5]为基础的同步相移技术,研究在线在机表面精密测量的解决方案———同步相移干涉精密表面在线测量系统。该系统在传统泰兰-格林激光波面干涉仪[7]基础上,利用偏振干涉[8],采用偏振的同步相移技术,有效地抑制在线环境对波面干涉测量精度和可靠性的影响,从而实现精密加工平面和球面的表面形状在线测量。

　　1　测量原理

　　1.1　系统原理

　　提出的同步相移激光干涉表面精密在线测量系统原理如图1所示。图中,L1为准直透镜;L2、L3为扩束透镜;BS为消偏振分光棱镜;P1、P2、P3为检偏器;M1、M2为反射镜;Q1、Q2、Q3为1/4波片。He-Ne激光器发出的光经空间滤波器、偏振片和准直镜L1后,成为准直平面波进入偏振分光棱镜,偏振方向垂直纸面的分量经分光面反射,经过1/4波片Q1到达参考表面,并被反射回来穿过分光棱镜成为参考光波,该光波由于两次通过Q1使偏振方向变为平行于纸面,从而穿过偏振分光棱镜分光面进入干涉光路;偏振方向平行于纸面的偏振分量穿过分光面,经过1/4波片Q2后入射到被测表面,反射回来的光波为带有被测表面偏离信息的准平面波。该准平面波再经过Q2,偏振方向变为垂直纸面并由偏振分光棱镜分光面反射进入干涉光路。这两束偏振方向正交的光波在干涉光路中共路经过1/4波片Q3后变成旋转方向相反的圆偏振光,它们一同经过L2和L3组成的扩束镜扩束或收束至合适于后面CCD的孔径后,进入同步相移干涉单元。在同步相移单元,多步相移同时发生并被同步采集送入计算机进行分析和干涉相位恢复[9-10],得到从被测表面返回的波面波前形状,从而得到被测表面面形。用于球面测量时,则在偏振分光棱镜后置放一适当聚焦镜,产生标准球面波入射到被测表面,返回的波带有被测表面偏离信息,随后进入测量系统,得到测量结果。