移相式数字光学轮廓仪的研制

　　1　引　　言

　　上海光学仪器厂生产的干涉显微镜是我国计量领域应用最广泛的用于表面粗糙度测量的仪器。该镜有其突出的优点,但作为目视仪器,已远远不能满足应用要求。以该仪器作为硬件基础,结合移相技术,研制成的数字光学轮廓仪,可以实现被测表面微观形貌和粗糙度参数自动化测量,在一般测量条件下,精度达到了σ<0.05nm(Ra),σ<0.7nm(P-V),测量范围0.5nm～1um。

　　2　移相式数字光学轮廓仪工作原理

　　2.1　测量装置

　　在上海光学仪器厂生产的6JA型干涉显微镜上,以压电陶瓷推动参考臂带动参考镜(高精度硅板)移动,以CCD摄像系统作为接收器。从被测表面反射的光束和从参考镜反射的光束干涉,由CCD接收干涉场强信号。

　　2.2　移相测量原理

　　通过压电陶瓷推动参考臂改变参考镜位置改变干涉场强信号的附加位相。第k次移相所得到的干涉场强信号为:

　　式中,φ(i,j)为反映被测表面起伏的相位。A为背景光强,B为调制度,δk为第k次移相的附加相位。采用最小二乘法,可以计算出φ(i,j)。

　　2.3　关键技术和解决方法

　　(1)获得精确的移相值是移相技术中的一个关键,是进行后续计算的前提。本测量装置外部硬件采用了开环形式,由软件算法确定移相的精确值[1],大大降低了对移相器的要求。(2)采用符合最小二乘意义的迭代移相算法,最大限度地逼近包裹位相真值[1]。(3)采用了适于一般轮廓形状表面上包裹算法,不但可以处理光滑表面、具有沟、槽的表面,而且还可以对有缺陷或非方形成像区域的表面进行成功处理[2]。(4)提出了对系统误差和量化误差的有效处理方法,降低了对系统硬件的要求[3]。总之,由于针对各个关键环节提出了一些有效、实用的处理方法,成功解决在实际测量中的关键问题,得到了较好的处理结果。

3　测量结果

　　采用德国Zeiss公司的Lateral Calibration Stan-dard 1670-000-020标准板对系统进行了横、纵向成像区域大小进行了标定。结果为:100×100um/512×512 pixel。仪器在周围无大振动源、25℃左右的条件下,采用40×物镜,对工作表面,如硅材料表面、瓷材料表面、玻璃表面、量块表面、单(多)刻线样板、光盘表面、有小洞表面等分别进行了多次测量,十次测量的标准偏差σ<0.05nm(Ra),σ<0.7nm(P-V),其平均值与美国ZOGY干涉仪测量结果相符。表1为对美国Morton公司的0.2nm的高精度硅材料标准板的10次测量结果。图1为对Taylor Hobson Ltd.的高度为25nm标准台阶块(No.19407/Cert.No.27950/)的测量干涉图,图2为测量结果。测得台阶高度为25.64nm。