测量精度达3.2nm的在线表面粗糙度外差干涉仪信号处理系统

　　引　言

　　随着光、机、电工业以及尖端科学技术的发展,对精加工、超精加工表面的要求日益增加,这使得表面粗糙度的测量变得非常迫切,在表面加工中实现实 时在线测量更是梦寐以求。传统的触针式表面粗糙度[1]测量仪虽然比较成熟,但其触针的扫描压力常划伤待测表面,加之触针半径的大小受到一定的限制而影响 横向分辨率的进一步提高,这一切使得非接触式光外差表面粗糙度干涉测量应运而生[1]。光外差干涉表面粗糙度测量原理是[2,3]:将相干光分成两束,分 别经过频差为2MHz或(1MHz)声光调制器AOM1和AOM2而产生光拍,由于测量光从待测表面返回,故光拍相位正比于待测表面高度的起伏,通过相位 测量而获得表面粗糙度。由此可知:要实现加工过程中表面粗糙度的实时在线测量,必须解决以下问题:

　　第一、测量光要在被测表面上扫描移动,以获得整个待测面的信息,而待测表面粗糙度的差异决定了各测点光反射系数的不同,使得从待测表面返回的测 量信号在幅度上大小不同,这直接影响相位测量的精度,进而使表面粗糙度测量结果的精度大大降低。现场测量表明:对于标准量块,测量信号可达0.1V,最小 则全部淹没在噪声中,用示波器辨别不出信号的波形。这说明测量信号的大小能否控制在一固定(或可调)的电平上是非接触式表面粗糙度干涉仪实现现场测量的前 提。

　　第二、待测表面高度的变化使得照在待测面上的测量光斑点的大小发生变化即离焦,这直接影响测量的横向分辨率,测量光的自动调焦是必需的。

　　第三、常规的精加工、超精加工表面的高度起伏为几个nm到几个μm,这就要求测相分辨率要达到纳米量级,并且要求动态测量。

　　结合研制的应用在磨床上的实时在线表面粗糙度干涉仪,文中介绍上述第一和第三关键问题的解决办法即宽动态范围的自动电压控制和高精度相位计(动态测相且含计大数),第二个问题将另文介绍。

　　1　基本原理

　　为了使系统能在磨床上实现±10μm范围内纳米级在线测量,必须保证测量信号不随待测表面粗糙度的差异而变化,消除测量信号振幅变化引入的测量 误差;另外,必须实现高精度的动态相位测量(含计大数)。系统所用半导体激光器波长为0.875μm,则±10μm的测量范围对应约50个整数周期,1纳 米高度起伏对应相位变化约1°。

　　光电探测器接收到的光外差参考信号的频率和测量信号的中心频率均为2MHz(声光调制器的频率分别为98MHz和100MHz),就目前的器件 水平,直接对2MHz信号进行分辨率为度量级的相位测量是困难的,而经过电外差将信号频率降下来,进而实现高精度的相位测量是完全有可能的,关键是精心设 计电混频器,将电混频过程引入的误差控制在允许的范围内。为此,系统信号测量的整体原理框图见图1。(参考信号与待测面无关,其大小的稳定性取决于光源光 功率的稳定性)