一种非接触测微新技术初探

　　1　引言

　　表面微观形貌及微位移的非接触测量方法的研究始于本世纪50年代,由于其具有高速、高精度、对被测表面无损伤等显著优点而受到了各国学者的广泛关注,国际上许多测量技术于本世纪80年代中后期发展成熟,并有相关产品问世〔1~5〕。其中,以光盘技术中聚焦误差的检测原理为基础的光聚焦探测法占有相当重要的地位。光聚焦探测法的应用研究至今方兴未艾(6)。

　　光聚焦探测法的主要优势在于测量的高分辨率、可在线测量以及仪器小型化。较为成熟的方法有:像散法、临界角法、傅科法和斜光束法。如:以临界角法原理为基础的高精度光学表面传感器HIPOSS具有小于1nm的垂直分辨率和0·65μm的水平分辨率〔4〕;以像散法原理为基础的表面粗糙度传感器具有2nm的测量分辨率〔7〕。

　　我国在相关领域的研究工作与国际水平尚有差距。有鉴于此,笔者对CD光学头的测量系统进行了研究改进,以期获得高精度的光学测微仪。

　　2　像散法测微原理

　　像散法的测微原理如图1所示。照射在物体表面上的光点B(焦点)通过物镜在Qx处成像。当光点和物镜间的距离沿光轴方向由B移至A或C时,成像的位置分别Px、Sx.在垂直于光轴的面上可以看到光束,并检测光束直径的变化。当在物镜后加入一个柱面平行于X轴的柱形透镜后,光点A、B、C在Y轴方向的成像位置将向前移动,如Py、Qy、Sy所示位置,在这些位置以后光束将发散。

　　由于光点在X轴和Y轴方向上的成像位置的不同,光束成像的形状将呈椭圆形变化。当光点接近物镜时,椭圆的长轴在X轴方向;相反,当光点远离物镜时,椭圆的长轴在Y轴方向。因此,在上述变化中将存在某一位置,该处光束成像的形状为圆形。取以焦点B为反射光点的光束成像为圆形处放置四象限光电检测传感器(QPD),则在传感器的受光面上的光斑形状变化如图1所示。四象限光电检测传感器1~4象限的受光面积分别为S1、S2、S3、S4,将此信号进行光电变换、放大和差分运算,利用差分信号(S1+S3)-(S2+S4)可高精度地获得与表面微小位移相对应的电压信号。

　　3　测微系统构成

　　经改进的测微系统构成及各部分功能如下:

　　3·1　光学头

　　自动跟踪测量的传感器和执行器,能够实现高精度检测和快速反应。同时完成激光的发射及整形、光电信号转换等。

　　3·2　信号放大模块

　　采用CXA1081集成块,该集成块完成激光二极管的自动功率控制、电流—电压转换、信号放大以及滤波抗干扰等信号处理功能。

　　3·3　伺服信号处理模块