基于PSD的微轮廓测量仪及其控制系统研究

　　1　PSD激光位移测量基本原理

　　本文涉及到的基于PSD技术的微轮廓测量仪,是对微小构件的三维轮廓参数进行测量的仪器。其核心原理是激光扫描三角测量原理,通过测量反射光相对位置发生变化而测量微小物体表面轮廓。与传统机械接触式探头测量技术相比较,具有非接触,测量精度高,应用范围广,可量测(非)柔软以及非常光滑的表面,而不会对被测对象造成任何损害等特点。本文涉及到的这种激光单点位置探测器,对表面轮廓测量精度可达10nm[1]。

　　激光扫描测量法是利用激光点或者激光线,投射到被测物体表面上,通过物体上该点的成像偏移来计算物体高度分布的方法,由于物体的高度计算是由物体的基平面,像点及像距所组成的三角关系决定的,因而称之为三角测量法,其理论基础非常成熟,应用领域广泛:主要应用于纳米材料,微电子,生物医学工程,高分子聚合材料,以及MEMS(微型机械电子系统)等技术领域。图1为单点式激光三角法测量的几何关系。图中坐标系原点定在PSD聚焦透镜中心,其光轴即为坐标系的Z轴,光源的中心在X轴上且离原点的距离为b,光束的投射角为θ,投向空间某一点P(x,y,z),P点在PSD成像面上的坐标为(u,v)。根据简单的成像几何,坐标u,v满足式(1)的关系。

　　上式中f为PSD聚焦透镜的焦距。

　　利用正弦定理,可以推导P点坐标:

　　式(2)中b通常称之为测量基线,其长短由系统结构设计而定,f是由所选用的PSD决定的。所以对一个被测空间,只要能不断的得到光束的投射方向和与之对应的成像点的位置,即能不断地测量到(θ,u,v)的量值,就能得到空间各点的距离图像。

　　根据三角法测量原理制成的仪器被称为激光三角位移传感器。采用半导体激光器作光源,功率为5mW左右,光电位置探测器可采用PSD,PSD属于非分割型位置探测器,PSD以进入光敏元件的整个光点之光亮分布来决定光点的中心,并以此做为被测物的位置。

　　PSD测量原理如图2所示。由激光器发出的激光打在被测物体表面上,形成的光斑直径在12μm左右。对于纳米级的测量,用光斑实际大小进行测量是显然不够的。为提高测量精度,往往对光斑的最亮区域进行估计,也就是应用激光光斑的最亮区域,激光能量主要集中在这一区域,如图3所示。高档的PSD装置,光斑能量集中区的直径可以在5纳米以下。本文中所选择的PSD传感器[1],其激光光斑最亮区域直径大约在5nm,其最小位移分辨率达到10nm。

　　2　微轮廓测量仪的构成及工作原理

　　微轮廓测量仪主要由微轮廓仪机架平台,宏动工作平台,PI精密定位工作台及其配套控制驱动模块,高精度激光位移传感器及配套控制器和控制计算机等五部分组成,如上图4所示。