提高轮廓仪对大曲率半径表面形貌测量精度的研究

    １　引　　言

    伴随着以单点金刚石车削为代表的现代超精密加工技术的发展［１～３］，为了满足高精度的要求，现代检测技术也是突飞猛进。在测量表面形貌方面，轮廓仪起到了很重要的作用，不仅达到了亚微米量级的测量精度，而且重复性好、效率高，在超精密检测领域起到了重要的作用［４，５］。

    在测量大曲率半径表面形貌时，比如大型光学观察系统和巨型激光装置使用的大口径长焦距球面或非球面透镜［６］，以及测量衍射元件的环带位置等对顶点的精确确定要求更加严格的情况下［７～９］，轮廓仪的使用遇到了瓶颈。以Ｔａｙｌｏｒ　Ｈｏｂｓｏｎ公司出品的Ｆｏｒｍ　Ｔａｌｙｓｕｒｆ　ＰＧＩ　１２５０Ａ轮廓仪为例，在实际操作中发现，测量大曲率半径样品表面形貌或者样品表面粗糙度比较大的时候，探针自动寻找顶点不是很准确，从而导致表面形貌的测量精度受到影响。轮廓仪的测量要达到很高的精度，必须要精确确定样品的顶点，但是对于大曲率半径表面来说，样品曲率半径越大，越难准确地找到顶点，测量出来的形貌误差也越大。尤其是测量衍射元件面型时，顶点位置确定不准确，得到的环带位置误差也较大。

    在国内，现阶段超精密测量技术的研究水平同国外的差距较大，高性能仪器主要还是依靠进口。为了推动我国的超精密制造以及相关测量技术的进一步发展，满足提高大曲率半径表面形貌测量精度的要求，对相关课题的研究显得十分迫切。本文提出一种利用自准直仪辅助，提高轮廓仪对大曲率半径表面形貌测量精度的方法，并通过实验验证了其合理性和有效性。

    ２　方法研究

    为了提高大曲率半径表面形貌的测量精度，基于Ｆｏｒｍ　Ｔａｌｙｓｕｒｆ　ＰＧＩ　１２５０Ａ进行了研究。实验中 选 用ＮＩＫＯＮ　Ａｕｔｏｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ　６Ｄ光学自准直仪来辅助轮廓仪搭建测量装置，并对测量步骤和方法进行改进以提高Ｆｏｒｍ　Ｔａｌｙｓｕｒｆ　ＰＧＩ　１２５０Ａ的测量精度。

    把轮廓仪的校准球置于Ｆｏｒｍ　Ｔａｌｙｓｕｒｆ　ＰＧＩ　１２５０Ａ自动测量平台的电动θ轴（最小旋转角度０．０１°，并且可以±３６０°旋转，如图１所示）上面，用轮廓仪的自动程序找到校准球的顶点。然后将探针上移，并向右移动一定距离（例如１００ｍｍ，视样品尺寸而定）。

    利用ＮＩＫＯＮ　Ａｕｔｏｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ　６Ｄ搭建的辅助测量装置来确定校准球的顶点，如图２所示。这时候只能调节自准直仪、反射镜和参考物镜。在确定样品顶点的过程中让θ轴旋转，同时观察目镜，直到从样品表面反射回来的十字光标不再移动，从而确定校准球的顶点位置。