一种亚纳米级分辨力同轴式激光轮廓测量系统

　　随着现代高新技术的发展,超精密加工技术应用日益广泛,对超精密加工技术的要求也越来越高,而超精密加工技术的发展离不开先进的测试手段,纳米级的计量测试技术因此显得越来越重要[3]。本文介绍的是以双纵模激光为光源的同轴式轮廓测量系统,其工作频率(拍频频率)为650 MHz。它不仅适用于静态测量,而且有特别好的动态特性。更重要的是,由于它的两干涉臂是同轴的,在垂直方向上的位移不会引起光程差,这样就最大限度的发挥了差动干涉仪的优点,由仪器导轨的平直度、试件表面对导轨的平行度以及测量仪器的震动所引起的问题,都不会直接影响测量结果,因而仪器不需要价值昂贵的导轨和特殊的测量环境;基于WINDOWS的测量控制软件,使控制操作更加简便,提高了仪器智能化程度,而且能够实现三维测量和显示。

　　1　轮廓仪测量系统

　　如图1所示,该系统采用一只双纵模热稳频He-Ne激光器(自有发明专利),出射的双纵模激光为两正交的线偏振光,光源拍频频率(仪器载波频率)是650 MHz。信号经过高频放大后,送入相位计比相,被测面轮廓高度变化就包含在了相位信号之中。相位计输出的电压信号经A/D转换电路转换为为数字信号,由微机处理计算,数据和图形可由打印机输出。直流减速电机控制x方向上的移动,步进电机控制y方向的移动。

　　2　激光轮廓仪的工作原理

　　此轮廓仪的工作原理如图2所示。

　　由稳频的双纵模激光器发出两相互正交的线偏振光,分光镜把激光束分为参考和测量光束。参考光束通过与偏振方向成45°放置的起偏镜,射到接收参考信号的雪崩二极管上。测量光束通过分光镜射到一平面镜,又通过冰洲石晶体棱镜1被分为两束。通过晶体1中心的光束,由调束物镜聚焦在聚焦物镜的焦面上,然后成为平行光。这一光束为参考臂。通过聚焦物镜和调束物镜的调节,参考臂试件表面上的光斑直径可以从0.1~4 mm变化。另外被冰洲石分开向左的光束,聚焦于试件表面最小直径可为1μm,这一光束为测量臂。两束光经试件表面反射后回到冰洲石晶体,因为都曾两次通过λ/4波片,因而偏振方向变化90°。因此,它们就以新的途径通过冰洲石晶体1,这样就避免了从试件表面反射的光反馈回激光管。冰洲石晶体2又把这两束光合二为一。在起偏镜上干涉,再被雪崩二极管接收。当参考光斑的直径足够大的时候,参考臂几乎不受轮廓变化的影响。由于测量光斑的最小直径为1μm,测量臂就能检测到微小的变化。此仪器横向分辨力小于1μm。由于“相位跳变因素”的存在,所以横向分辨力可进一步提高[2]。

　　3　测量控制软件