临界角法检焦系统的设计

　　1　引　言

　　测量精密、超精密加工工件表面形貌特征参数的仪器主要分为接触式和非接触式两大类。传统的机械触针式测量具有稳定、可靠、测量动态范围大等优点,但由于是接触式测量,存在易划伤被测表面、测头磨损及不能测量较软质材料等局限性。而非接触式形貌测量方法可实现对表面形貌的无损测量和评定,并且还有助于高精度快速测量,因此受到了人们的广泛重视和普遍应用。目前的非接触式形貌测量方法所依据的原理主要是光、声、电或是其中两种的结合,其中几何光学方法在非接触式形貌测量中的应用最为广泛。常用的非接触式光探针离焦检测方法有临界角法、像散法、准直小孔调焦法等。像散法分辨力高,但动态范围很小、装调困难;小孔调焦法系统结构简单,动态范围适中,但动态分辨力低;而临界角法具有分辨力较高、损失光能小、动态范围适中、结构简单、调试相对容易等优点,是亚微米级检焦技术的一种常用的方法,广泛应用于表面形貌测量、激光直写设备等方面[1-3]。

　　离焦信号检测的基本原理是:当聚焦光斑偏离工件表面(即离焦)时,离焦检测系统通过检焦光路把离焦量进行放大,并利用光电探测器件把光强大小转换为输出电信号的变化,通过对光电探测器输出的信号做进一步处理,得到离焦量的值即被测表面的形貌信息。本文介绍了临界角法离焦检测的基本原理,利用光电二极管作为光电探测器件输出离焦误差信号,经过处理调节压电陶瓷驱动调节聚焦物镜,使聚焦光点始终聚焦在被测表面上,从而得到被测表面形貌特征。

　　2　临界角法离焦检测原理

　　当光从一种媒质向另一种媒质传播时,在界面上产生反射和折射,其反射率随入射角的变化而变化,这种变化关系可由Fresnel公式给出[4-5]:

　　n1、n2是两种介质的折射率,θi、θt分别是入射角和折射角。

　　当n2>n1,光从光密介质向光疏介质传播,若,称为临界角),将发生全反射。当θi<-θi时,其反射系数陡峭下降(见图1)。其中,图1中S光与P光分别代表入射光在垂直入射面和平行入射面方向的光振动。

　　临界角探焦技术正是基于这一特性,图2表明了临界角探焦技术的原理。当工作面处于透镜焦平面上(B点)时,反射光线经透镜后,平行出射,四象限探测器输出的离焦误差信号为零;而当偏离焦平面(A点或C点)时,以发散或会聚光束出射,从临界角棱镜输出的光强产生了差别,因此四象限探测器输出的信号不为零,这样便可检测出离焦误差信号。

　　为了得到临界角离焦误差信号表达式,必须

　　采用一些合理假设: