一种便携式光学表面轮廓仪.pdf

第38卷第2期
光学仪器
Vol 38, No. 2
2016年4月
OPTICAL INSTRUMENTS
PRI
文章编号:1005-5630(2016)02-0178-07
种便携式光学表面轮廓仪
张瑜,陈字琪2,陈磊1
(1.南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京210094
2.金智视讯技术有限公司,江苏南京21100
摘要:研究了一种基于短相干光相移千涉法的便携式光学表面轮麻仪,分析了短相干光千涉显
綬镋相移干涉技术,实现了基于该项技术的光千涉显微系统。采用光路築成化的设计方法,实
现了一体化轮廓仪光路集成,优化了机械三维调整量台,实现了可用于大、小口径元件表面测
量的正置、倒置两种测量模式。测试结果表明,仪器的粗糙度测量精度为0.1nm,重复性误差优
于0.01nm,横向分辩率优于1ams
关键词;短相干光相移干涉;表面轮廓;千涉显微镜;粗糙度
中图分类号:TH741.1文献标志码:Adoi:10.3969/.issn1005-5630.2016.02.016
A portable microscopic profilometer
ZHANG Yu, CHEN Yugi, CHEN Lei
(l School of Elecronic and Outical Engineering, Naniing University of Scince and Technology, Nanjing 210094. China
2. Jinzhi Video Technology Co; Ltd, Nanjing 211100, China)
Abstract: A portable microscopic profilometer is studied based on short-coherent light phase-
shifting interferometric technique. The portable microscopic profilometer was designed and
implement
ich was based on short-coherent light interference microscopic techniques. The
integration of the profilometer is achieved by integrating optical path. The design of mechanical
3D adjustment platform is optimized. The instrument contains upright and inverted
measurement modes to adjust the detection of tiny and large aperture optical surfaces. The
measurement experiments of the profilometer are carried out under laboratory condition. The
instrument's accuracy is up to 0. 1 nm. Repeatability error is better than 0.01 nm and lateral
resolution is better than 1 gm.
Keywords: short-coherent light phase-shifting interferomotry; surface profile:; interference
microscope; roughness
引言
轮廓仪可以分为接触式和非接触式最典型的接触式轮廓仪是触针式轮廓仪,它能够測量平面、球
面、非球面等多种形状的表面轮廓?。触针式轮廓仪发展很早,目前国内外均有成熟的产品,英国 Taylor
敗稿日期:2015-07-2
甚金项目:国家自然科学基金资助项目(U12311)
作者简介:张瑜(1991-),女,硕士研究生,主要从事精密光学测试技术方面的研究。E-mail:745375216@qg.comn
通信作者:陈磊(1964-),男,教投,主要从事精密光学测试技术方而的研究。 E-mail: chenlei@nust.. edu cn
万方数据
第2期
张瑜,等:一种便携式光学表面轮廓仪
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Hobson公司生产的PGI1240轮廓仪的分辨率优于0.8nm,德国 Nanoscan轮廓仪产品的分辨率优于
0.6nm,该类仪器具有量程大和精度较高的特点,但触针会不可避免地对表面产生一定的损伤,且需要大
量的扫描时间,测量效率较低。非接触式可以分为扫描显微镜和光学轮廓仪,其中光学类又可分为光学
探针法、偏振相移干涉法、显微干涉测量法等。与其他光学技术相比,干涉显微镜的放大倍数和分辨率较
高,可以获得直观的表面轮廓信息,检测效率和检测精度都较为理想。 Veeco NT9100轮仪和4D公司
动态光学轮廓仪的测量精度均可达0.1mm,但不足的是NT9100受载物台尺寸和工作距离的限制,无法
实现针对天文望远镜等大尺寸元件的面形检测,同时受被测样品厚度影响,每次测试都需要长时间的重
新调试,因此无法适应工业生产检测中的快速批量检验。 Nanoscan可以适用于不同口径元件的轮廓测
量,但是物镜只能倒置测量,当被测件口径较小时,调整十分不便。国内 Chang等2研制了WIVS型白光
干涉表面轮廓测量仪,垂直分辨率优于0.5nm,垂直测量范围为0.25mm。目前全世界绝大部分的微电
子和光学加工产业在中国,而这些仪器的测量技术是国外垄断的,价格非常昂费,国内相对缺少此类仪器
的开发。
本文针对上述问题,开发出基于相移干涉显微镜且稳定性强、精度高的便携式表面三维微观轮廓在
线测量仪器,使其能够在工厂批量生产加工的过程中,无论在重复性还是在测量精度上均能达到在线使
用的目的
1系统基本原理
1.1移相干涉技术
光的干涉指当两東或多束相干光波在空间叠加时,形成光强强弱分布的现象。干涉图的光强表达式为
I(r,y, 1)=A+ Bcosl](,)+6()J
(1)
式中:A为平均光强;B为光强调制度;必(x,y)为待测相位;()为参考光波的相移量。光强I(x,y,aの可
以通过探测器采集,若相移量是已知的,公式中只有平均光强、光强调制度、待测相位3个未知量,因此在
移相过程中,对参考光加入步距为90°的光学相移,即お()依次取0,x/2,3x/2。根据采集到的4幅
干涉图的光强数值,即可得到待测相位
o(x, y)= arctan
进而得到被测面的各点的高度值,从而得到微表面的三维形貌。
1,2干涉显微镜技术
干涉显微镜结合了干涉仪技术和显微镜技术,通
CCD
过对干涉条纹进行调制和解调来测量表面的微观不平
度。与其他用于表面轮廓检测的光学技术相比,干涉
显微镜的放大倍数和分辨率较高,可以获得直观的表
面轮廓信息,检测效率和检测精度都较为理想。根
据干涉显微物镜的光路结构和干涉实现方法,可以将
分光棱镜
其分为 Michelson型、 Mirau型和 Linnik型三类?,与
光源
Linnik型干涉显微镜相比,Mrau型结构的参考光和
PZT
测量光大部分共路,因此具有较好的抗干扰能力