表面形貌焦点跟踪测量方法的研究

　　1　引言

　　对于工程表面测量而言,要求测量仪器的垂直与水平测量范围较大,尤其是水平扫描范围应有几个毫米或更大,以便综合评估表面的形状误差、表面波度和表面粗糙度的关系及其对工件表面性能的影响。现时,用于工程表面形貌测量的仪器中,采用接触测量方法的金刚石触针轮廓仪占有主要地位,这是因为触针式仪器具有测量可靠、操作方便、价格便宜以及符合表面粗糙度国际标准评定的要求等优点。但是,金刚石触针轮廓仪有两个主要的缺点,一方面,这类仪器属于接触式测量仪器,触针与工件表面存在一定的测量力,且随着量程的增大而增大,锋利的金刚石触针在一定测量压力下会损伤工件表面并影响测量结果的真实性,同时在测量过程中还可能会损坏触针,因此对于一些软金属、生化材料、橡胶表面以及含信息和超精密加工工件的表面,一般不宜用这种方式进行测量。另一方面,受测头半径、形状、测量力以及测头动态性能的影响,触针式仪器测量速度慢,一般约为1 mm/s,特别是在三维形貌测量过程中需耗过多时间,从而引入温度漂移带来的误差。

　　为了克服接触式测量方法上述缺点,基于各种测量原理的非接触式测量方法得到迅速的发展,可实现对表面形貌的无损测量和评定,并且还有助于提高测量精度和测量速度,因此受到人们的广泛重视和普遍应用。对于工程表面的形貌测量,基于聚焦探测原理的光针式轮廓仪是一种较好的测量仪器,目前已在工业生产中得到了应用。本文将介绍一种新型的基于聚焦探测法(又称光学探针法)的自动焦点跟踪测量方法。

　　2　自动焦点跟踪测量方法的基本原理

　　聚焦探测法就是把聚焦光束当作探针,利用光电探测器测量被测表面的微观起伏偏离显微物镜焦点的微小离焦量,而离焦量的线性测量值就反映了被测表面的形貌。利用聚焦探测法原理进行表面形貌测量的方法有多种,主要有傅科刀口法、临界角法、象散法及偏心光束法等。聚焦探测法的垂直分辨率可达1 nm,并且具有光路简单和使用方便等优点,其不足之处在于线性范围较窄(约30μm),而且光电探测器对被测表面的反射率和微观斜率变化较为敏感。

　　本文所介绍自动焦点跟踪测量方法则克服了上述方法的不足,其垂直测量范围可达500μm,具有3 nm的测量分辨率。其基本原理如图1所示。半导体激光二极管发出的光束经扩束、准直后变成平行光,通过分光镜BS和显微物镜L1会聚到被测工件表面上,反射光沿原光路返回到分光镜BS,再经过透镜L2被棱镜L3分成两束光,投射到两组二象限光电二极管上产生聚焦误差信号,当光束焦点位于被测工件表面时,两个反射光斑分别处于两组光电二极管的中部,聚焦误差信号为零;在测量工件表面形貌时,光学探针以恒定速度沿被测表面扫描,表面形貌上的微观起伏使光电二极管不断产生聚焦误差信号,这一信号经过处理和补偿被用来控制音圈电机,驱动显微物镜作相应的调整运动,保证显微物镜L1和工件表面被测点之间的相对位置不变,使光点始终聚焦在被测面上。音圈电机位置的连续变化反映了被测点高度的连续变化即被测表面形貌的信息,由一与聚焦伺服系统独立的电感测量器来采集。这样可保证在测量范围内测量信号有较好的线性值。因为在测量系统中引入了聚焦误差反馈控制装置,其垂直测量始终在线性区间内,测量范围大、分辨率高、扫描速度快。