一種便攜式光學(xué)表面輪廓儀

1、一種便攜式光學(xué)表面輪廓儀摘要：研究了一種基于短相干光相移干涉法的便攜式光學(xué)表面輪廓儀，分析了短相干光干涉顯微鏡相移干涉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于該項(xiàng)技術(shù)的光干涉顯微系統(tǒng)。采用光路集成化的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了一體化輪廓儀光路集成，優(yōu)化了機(jī)械三維調(diào)整測量臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了可用于大、小口徑元件表面測量的正置、倒置兩種測量模式。測試結(jié)果表明，儀器的粗糙度測量精度為0.1 nm，重復(fù)性誤差優(yōu)于0.01 nm，橫向分辨率優(yōu)于1 m 。關(guān)鍵詞：短相干光相移干涉；表面輪廓；干涉顯微鏡；粗糙度中圖分類號(hào)：TH 741.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi ：10.3969/j.issn.10055630.2016.02.016Abstract

2、：A portable microscopic profilometer is studied based on shortcoherent light phaseshifting interferometric technique.The portable microscopic profilometer was designed and implemented which was based on shortcoherent light interference microscopic techniques.The integration of theprofilometer is ach

3、ieved 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 arecarried out under labor

4、atory condition.The instrumentaccuracy is up to 0.1 nm.Repeatability error is better than 0.01nm and lateral resolution is better than 1 m.Keywords：shortcoherent light phaseshifting interferomotry； surface sprofile；interference microscope；roughness引言輪廓儀可以分為接觸式和非接觸式，最典型的接觸式輪廓儀是觸針式輪廓儀，它能夠測量平面、球面、非球面等多

5、種形狀的表面輪廓1 。觸針式輪廓儀發(fā)展很早，目前國內(nèi)外均有成熟的產(chǎn)品，英國Taylor Hobson 公司生產(chǎn)的PGI 1240輪廓儀的分辨率優(yōu)于0.8 nm，德國 Nanoscan 輪廓儀產(chǎn)品的分辨率優(yōu)于 0.6 nm。該類儀器具有量程大和精度較高的特點(diǎn)，但觸針會(huì)不可避免地對(duì)表面產(chǎn)生一定的損傷，且需要大量的掃描時(shí)間，測量效率較低。非接觸式可以分為掃描顯微鏡和光學(xué)輪廓儀，其中光學(xué)類又可分為光學(xué)探針法、偏振相移干涉法、顯微干涉測量法等。與其他光學(xué)技術(shù)相比，干涉顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率較高，可以獲得直觀的表面輪廓信息，檢測效率和檢測精度都較為理想。Veeco NT9100 輪廓儀和4D公司動(dòng)態(tài)光學(xué)

6、輪廓儀的測量精度均可達(dá)0.1 nm ，但不足的是NT9100受載物臺(tái)尺寸和工作距離的限制，無法實(shí)現(xiàn)針對(duì)天文望遠(yuǎn)鏡等大尺寸元件的面形檢測，同時(shí)受被測樣品厚度影響，每次測試都需要長時(shí)間的重新調(diào)試，因此無法適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)檢測中的快速批量檢驗(yàn)。Nanoscan 可以適用于不同口徑元件的輪廓測量， 但是物鏡只能倒置測量，當(dāng)被測件口徑較小時(shí)，調(diào)整十分不便。國內(nèi)Chang 等 2 研制了 WIVS 型白光干涉表面輪廓測量儀， 垂直分辨率優(yōu)于0.5 nm，垂直測量范圍為0.25mm 。目前全世界絕大部分的微電子和光學(xué)加工產(chǎn)業(yè)在中國，而這些儀器的測量技術(shù)是國外壟斷的，價(jià)格非常昂貴，國內(nèi)相對(duì)缺少此類儀器的開發(fā)。本文

7、針對(duì)上述問題，開發(fā)出基于相移干涉顯微鏡且穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高的便攜式表面三維微觀輪廓在線測量儀器，使其能夠在工廠批量生產(chǎn)加工的過程中，無論在重復(fù)性還是在測量精度上均能達(dá)到在線使用的目的。1 系統(tǒng)基本原理1.1 移相干涉技術(shù)光的干涉指當(dāng)兩束或多束相干光波在空間疊加時(shí)，形成光強(qiáng)強(qiáng)弱分布的現(xiàn)象。干涉圖的光強(qiáng)表達(dá)式為I（x，y， t ）=A+Bcos（ x， y） +（ t ）（ 1）式中： A 為平均光強(qiáng)； B 為光強(qiáng)調(diào)制度； （x， y）為待測相位； （ t ）為參考光波的相移量。光強(qiáng)I（ x，y， t）可以通過探測器采集， 若相移量是已知的， 公式中只有平均光強(qiáng)、光強(qiáng)調(diào)制度、待測相位3 個(gè)未知量，因

8、此在移相過程中，對(duì)參考光加入步距為90的光學(xué)相移 34 ，即 （ t ）依次取 0， /2 ， ，3 /2 。根據(jù)采集到的 4 幅干涉圖的光強(qiáng)數(shù)值，即可得到待測相位（ x， y） =arctanI4-I2I1-I3（ 2）進(jìn)而得到被測面的各點(diǎn)的高度值，從而得到微表面的三維形貌。1.2 干涉顯微鏡技術(shù)干涉顯微鏡結(jié)合了干涉儀技術(shù)和顯微鏡技術(shù)，通過對(duì)干涉條紋進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)來測量表面的微觀不平度。與其他用于表面輪廓檢測的光學(xué)技術(shù)相比，干涉顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率較高，可以獲得直觀的表面輪廓信息，檢測效率和檢測精度都較為理想5 。根據(jù)干涉顯微物鏡的光路結(jié)構(gòu)和干涉實(shí)現(xiàn)方法， 可以將其分為 Michelso

9、n 型、Mirau 型和 Linnik 型三類 6 ，與 Linnik 型干涉顯微鏡相比， Mirau 型結(jié)構(gòu)的參考光和測量光大部分共路，因此具有較好的抗干擾能力。與Michelson 型干涉顯微鏡相比，Mirau 型結(jié)構(gòu)工作距離短、數(shù)值孔徑大，有較高的放大倍率和空間分辨能力。故本系統(tǒng)采用 Mirau 型干涉顯微物鏡，其基本光路結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。寬帶光 LED光源發(fā)出的光束經(jīng)分光棱鏡導(dǎo)入顯微鏡系統(tǒng)中，當(dāng)光束通過干涉物鏡時(shí)，被分光鏡分為兩束。其中一束照射到被測表面，經(jīng)過被測表面微觀形貌調(diào)制后返回系統(tǒng)，另一束由參考鏡反射回系統(tǒng)。兩束光在顯微鏡筒中相遇并同時(shí)成像在 CCD探測器靶面上。 當(dāng)兩束光的

10、光程差在相干長度范圍內(nèi)時(shí)會(huì)發(fā)生干涉疊加，形成干涉圖，被測表面的三維形貌信息就記錄在干涉圖中。驅(qū)動(dòng)移相器進(jìn)行移相，兩束光波的光程差產(chǎn)生變化，對(duì)應(yīng)的干涉圖會(huì)相應(yīng)地移動(dòng)一個(gè)相位。 通過 CCD相機(jī)采集一系列干涉圖，并采用移相干涉算法對(duì)干涉圖進(jìn)行計(jì)算，即可恢復(fù)出被測表面的輪廓信息分布。2 便攜式光學(xué)表面輪廓儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)短相干光干涉顯微鏡的工作流程如圖2 所示：計(jì)算機(jī)控制移相系統(tǒng)按照預(yù)定距離進(jìn)行移相操作，對(duì)應(yīng)干涉成像系統(tǒng)中光程差發(fā)生變化，圖像采集系統(tǒng)記錄每次移相后干涉圖光強(qiáng)分布信息并發(fā)送回計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終將測試結(jié)果輸出在操作界面上?；诙滔喔晒怙@微干涉成像原理，對(duì)干涉顯微鏡的軟硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

11、，其整體結(jié)構(gòu)外觀如圖3 所示。儀器主要分為干涉成像系統(tǒng)、移相系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)四部分。干涉成像系統(tǒng)是在Mirau 干涉物鏡和單筒顯微鏡的基礎(chǔ)上改裝而成：使用三個(gè)支柱環(huán)形結(jié)構(gòu)夾持單筒顯微鏡；加入LED照明裝置可以實(shí)現(xiàn)同軸照明；將物鏡替換為Mirau 干涉顯微物鏡；目鏡部分改為CCD探測器成像系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的光路如圖 4 所示， LED光源發(fā)出的平行光線經(jīng)聚光鏡組、孔徑光闌、視場光闌聚束，經(jīng)透反射鏡反射進(jìn)入Mirau 干涉顯微物鏡，在干涉物鏡內(nèi)光線被分光鏡分為兩束，經(jīng)參考面和被測件表面反射的兩束光匯合，再經(jīng)分光鏡和聚光鏡聚焦于CCD的靶面上，由相機(jī)采集干涉條紋。3 便攜式光學(xué)表面輪廓儀工作模

12、式為了解決大口徑光學(xué)元件的在位測量和超精密元件的高精度在線快速批量檢測問題，我們將儀器設(shè)計(jì)為兩種工作模式：當(dāng)被測件為大口徑光學(xué)元件如天文光學(xué)系統(tǒng)中的大口徑鏡面時(shí)，儀器采用倒置工作模式，如圖5（ a）所示，將物鏡端向下放置在被測件表面不同位置進(jìn)行采樣測量，從而完成微觀輪廓的三維形貌測量；當(dāng)被測件的口徑較小時(shí)，儀器采用正置工作模式，如圖5（ b）所示，將物鏡端向上放置，將被測件被測面向下放置在載物臺(tái)上，從而完成測量。這兩種測量模式不僅滿足了不同口徑光學(xué)元件測量的需要，而且測量調(diào)節(jié)過程、切換區(qū)域甚至切換被測件都不會(huì)對(duì)工作距離產(chǎn)生太大影響，可以快速調(diào)整到合適位置進(jìn)行下一步的測量，從而提高了效率。4 便

13、攜式光學(xué)表面輪廓儀性能及其測量實(shí)例4.1 性能儀器的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。其中準(zhǔn)確度為算術(shù)平均偏差，表征了被測面高度信息的算術(shù)平均分布。此外，為了更好地實(shí)現(xiàn)干涉顯微鏡的自動(dòng)化控制和智能檢測計(jì)算， 開發(fā)了一套基于MFC 平臺(tái)且集控制、 計(jì)算與反饋于一體的軟件系統(tǒng)，使得對(duì)超光滑表面元件輪廓形貌的檢測、計(jì)算和評(píng)價(jià)更加便捷。4.2 測量實(shí)例（ 1） 藍(lán)寶石的超光滑表面粗糙度測量藍(lán)寶石晶體作為制作 LED芯片最常采用的襯底材料，其表面粗糙度的平均偏差值控制在0.3 nm 以內(nèi) 7 。采用本系統(tǒng)對(duì)某公司提供的超光滑藍(lán)寶石襯底進(jìn)行粗糙度質(zhì)量檢驗(yàn)，檢測結(jié)果如圖6 所示，測得Ra 為 0.272 nm ， Rq

14、為 0.361 nm 。圖 7 為同類輪廓儀 Veeco NT9100對(duì)藍(lán)寶石表面的粗糙度測量結(jié)果， 測得 Ra 為 0.25 nm，Rq 為 0.32 nm 與本系統(tǒng)的測試結(jié)果相符合?？紤]到選取區(qū)域的差別會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，因此可以表明研制的便攜式光學(xué)表面輪廓儀的測試可靠性能滿足要求。（ 2） 碳化硅標(biāo)準(zhǔn)樣塊的粗糙度測量美國 BRUKER公司生產(chǎn)的碳化硅 （ SiC）標(biāo)準(zhǔn)樣塊RM1085系列的超光滑表面粗糙度為0.2 nm，用其標(biāo)定輪廓儀的系統(tǒng)像差。使用本系統(tǒng)進(jìn)行測量，檢測結(jié)果如圖8 所示，測得Ra為 0.184 nm ， Rq 為 0.243 nm 。（ 3） 硬盤表面粗糙度測量隨著垂

15、直磁記錄技術(shù)在計(jì)算機(jī)硬盤中的發(fā)展與應(yīng)用，硬盤的磁頭飛行高度從 2001 年的 15 nm 降至 2 nm，硬盤存儲(chǔ)密度的提高和磁頭飛行高度的降低，要求磁頭、磁盤的表面粗糙度達(dá)到亞納米級(jí)。本系統(tǒng)檢測結(jié)果如圖 10 所示，測得 Ra 為 2.589 nm， Rq 為 3.228 nm。圖 11 為同類輪廓儀 Veeco NT9100 對(duì)硬盤的表面進(jìn)行粗糙度測量，測得 Ra 為 2.63 nm， Rq 為 3.31 nm ，與我們的測試結(jié)果相符合。另外，由表面形貌圖可清晰地看出硬盤表面的橫向紋理，說明研制的便攜式表面輪廓儀在光學(xué)元件的橫向測量上擁有一定的測量精度。（ 4） 大口徑光學(xué)元件表面粗糙度測

16、量將該儀器應(yīng)用于天文望遠(yuǎn)鏡的大型鏡面的面形測量中，如圖 12 所示，對(duì)鏡面進(jìn)行采樣測量，去除表面的臟點(diǎn)，測試結(jié)果如圖 13 所示，得到 RMS為 1.6 nm ，PV 為 15.9 nm 。由圖 12 可以看出，研制的便攜式表面輪廓儀對(duì)于大口徑光學(xué)元件的測量非常方便且好操作，避免了大口徑光學(xué)元件表面測量的不可操作性。5 結(jié)論本文根據(jù)移相干涉法，研制了一種基于短相干顯微測量的便攜式光學(xué)表面輪廓儀，完成儀器的光學(xué)干涉成像系統(tǒng)、精密相移位移系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)以及圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，通過大量的測試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、高效性和穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)：1 高志山，陳進(jìn)榜 .表面微觀形貌的顯微干涉檢

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