表面形貌光学法测量技术

　　对表面微观形貌的测量,从传统的机械触针式测量已发展到今天的利用各种原理实现的非接触式测量。目前的非接触式形貌测量方法所依据的原理主要是光、声、电或是某两种的结合,其中光学方法在非接触式形貌测量中的应用最为广泛。以下将对各种光学方法作进一步的分析,侧重在光探针法。

　　1　光学探针法

　　探针测量技术是用针描法进行测量或瞄准的一种技术,光学探针就是把聚焦光束当做探针,然后利用不同的光学原理来检测被测表面形貌相对于聚焦光学系统的微小间距变化。光探针又有几何光学探针和物理光学探针之分,利用成像原理来检测表面形貌的光学探针称之为几何光学探针;利用干涉原理的光学探针称之为物理光学探针。

　　1.1　物理光学探针

　　1.1.1　外差干涉光学探针

　　光外差干涉技术是一种较成熟、较完善的高精度测试技术,该方法利用两只具有微小频率差的相干光束的一束作为测量光束经显微物镜聚焦在被测表面上,另一束则作为参考光束保持光程不变,物体表面高度变化引起参考光束与测量光束光程差发生变化,通过相位比较,可获得表面微观高度。

　　光外差干涉中的光源除了常用的双频激光光源有纵向赛曼、横向赛曼He-Ne激光器,双纵模He-Ne激光器外,还有利用声光调制原理的移频双频光源。

　　光学外差干涉法均涉及两个光点,一个为测量光斑,另一个为参考光斑。根据测量光斑和参考光斑的分布可以分为同轴和不同轴两种类型。

　　同轴型外差干涉轮廓仪在测量表面上形成的是两个中心重合但大小不同的光斑,大光斑作为参考光斑,小光斑常作为测量光斑。由于测量光路和参考光路同轴,对外界振动和扫描装置导轨的直线度误差不敏感,可用于在线检测。就目前的同轴式轮廓仪而言,小光斑的直径最小在lum以下,大光斑的直径在(2~4)mm左右。图1是使大小光斑同轴的不同实现方案,图1(a)是美国洛克希德导弹与空间公司研制的大小焦点同轴式干涉轮廓测量装置中实现两光斑同轴的方法,经过扩束(Φ25mm)和缩束(Φ1mm)的激光束同轴入射到物镜上,其中较粗的光束充满物镜孔径,会聚到试件表面形成测量光斑(Φ2um);而较细的光束实际上等效于被一相对孔径较小的物镜会聚在试件上,形成直径较大(Φ50um)的参考光斑,该测量装置的分辨率以本机噪声rms衡量为0·01nm这种方法所形成的参考光斑不够大,不能测量表面轮廓变化较大的表面。图1(b)是利用双焦透镜实现两光斑同轴的方法,双焦透镜是采用双折射晶体和普通光学玻璃胶接而成,该透镜对o光煌e光具有不同的焦距,当激光束从双焦透镜入射时,出射的焦距较长的e光作为参考臂,它在被测表面上形成一个大光斑作参考光斑,o光则正好聚焦于被测表面形成测量光斑,该测量装置的垂直分辨率为0.1nm。采用双焦透镜实现大小光斑同轴,使测量装置结构简单,而且所用激光器不用稳频,但参考光斑由离焦偏振分量半会聚而成,所以参考光斑直径不可能太大。图1(c)是电子科技大学周肇飞教授等研制的同轴式高分辨率激光轮廓仪,它是利用双折射晶体把双纵模激光束的两相互正交的线偏振光束分开,其中o光会聚于正透镜的后焦面上,再通过物镜变为平行光,投射于工件表面作为参考光斑,其大小由两个物镜调节,可得到直径为(0.1~4)mm的光斑;而e光则偏向双折射晶体左边,并聚焦于工件表面形成测量光斑,该装置的垂直分辨率优于0.1nm,由于该装置的参考光斑足够大,所以参考臂几乎不受表面轮廓变化的影响。图1(d)是利用中间开有小孔的物镜来实现大小两光斑同轴,参考光斑直径为2um,该系统的垂直分辨率达0.3nm,采用该系统的激光轮廓仪结构复杂,物镜中央开孔也带来了许多问题,图1(e)中,一束光经物镜聚焦后经分光镜投射到被测表面,形成测量光斑;另一束光直径经分光镜投射于被测表面,形成参考光束,该测量装置测量光束与参考光束不是严格同轴,在一定程度上将受到温度漂移,机械不稳定性和空气扰动的影响,它的实际分辨率为5nm。