激光干涉微轮廓测量仪

　　1　引　言

　　随着微机电系统(MEMS),微电子,生物医学,材料及信息科学等前沿领域的发展,出现了超光滑或有超精细结构的表面,特别是超大规模集成电路硅片表面、大功率激光器谐振腔表面、各类软质金属材料表面结构,而这些超精表面粗糙度均方根值已达到亚微米及纳米量级,高分辨率光学轮廓仪以其非接触无损检测表面,且利用相移技术,提高测量精度,已在高科技领域得到广泛应用[1]。

　　激光干涉微轮廓测量仪采用共光路干涉,共光路使两束相干光经过相同的光路,故外界环境干扰如机械振动,空气扰动等对它们的影响相同,不会引起附加光程差.因此外界环境的变化对测量结果无影响,而且不需要标准参考反射镜,这对于在线(位)检测仪器非常重要,能对超精表面微观轮廓进行绝对测量。

　　2　测量工作原理

　　基于Michelson激光干涉测量原理,其测量光路图如图1所示。

　　He-Ne激光器(1 mW,632.8 nm)发出的双频激光束经准直系统后,通过偏振片成为单频偏振光,再由半透半反分光棱镜分为两束光,反射光束通过λ/4片后再透过半透半反大分光棱镜,经由物镜的光轴垂直会聚到被测试件的表面,称此光束为主光束[2]。

　　对于光洁度较高的表面,主光束在半透半反大分光棱镜处产生的反射光束射到反射镜上,反射镜相当于迈克尔逊干涉仪中的参考镜,经反射后又透过大分光棱镜,此光束是参考光束;主光束中的透射光束仍然穿过物镜聚焦于试件表面,经反射后重新回到大分光棱镜的分光面,在分光面处反射并与参考光束发生干涉,从而在光电阵列接收板上形成干涉条纹光斑,通过条纹的变化即可反映微观轮廓高度的变化,最后通过相应的光电信号处理以及RS232串口通讯,把采样得到的微观轮廓高度值送入工控机,由编制的程序进行3D图形显示和处理,绘制出表面微观轮廓图。

　　遵循基本的干涉理论,干涉光强由参考光路与测量光路二者的光强进行合成[3]:

　　其中:i为干涉系数(i= 2);s为测量镜位移,δ为光程差;n为折射率(一般认为在空气中,n=1),由此可得位移与光程差的关系,由式(2)表示:

　　s= (λ0/i×n)×δ, (2)

　　设电子细分的系数为e,则位移s的测量分辨力可由式(3)表示为:

　　ds= (1/e×i)×(λ0/n) , (3)

　　采用He-Ne激光(λ0=632.8 nm),取n= 1,i=2,e= 1,则垂直分辨率表示为式(4):

　　ds= 316.4 nm≈320 nm = 0.32μm , (4)

　　即光学微轮廓仪的垂直分辨率为0.32μm。

　　3　光学微轮廓测量仪测量控制系统软件和硬件设计

　　3.1　光学微轮廓测量仪硬件系统

　　(1)微轮廓仪机架平台;