干涉显微镜在超精密测量中的应用

　　0　引　言

　　机械零件的表面形貌不仅直接影响着零件的使用性能,而且还影响着产品的质量、可靠性及寿命.随着现代技术水平的飞速发展,很多高精尖产品对表面加工质量要求越来越高,超精密加工技术已经成为现代科技的前沿.而超精密检测技术是与超精密加工技术并行发展的一门高科技术,精确可靠地测量超精表面的微观形貌现已成为超精密加工领域中一个亟待解决的关键问题.自从1960年激光器问世以来,由于激光的单色性好、空间相干性好、方向性好和光强大等特点,很快成为精密测量的理想光源.自从80年代以后,已经出现了多种不同测量原理的光学测量方法,如光切法、各种不同测量原理的光学探针和干涉显微镜等.光学探针是把聚焦光束当作探针,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.干涉显微镜是利用光波干涉原理来检测表面质量的仪器,具有表面信息直观和测量精度高等优点.特别是近年来相移干涉技术在干涉显微镜中的应用,使其测量精度和速度都有了大幅度的提高,其分辨率已超过1 ,重复测量精度达0.1 .

　　1　干涉显微镜的测量原理

　　显微干涉法是利用光波的干涉现象,以光波波长度量由于零件表面微观不平度而产生的光波干涉带弯曲程度的一种方法.干涉显微镜又可以细分为:分光路干涉显微镜和共光路干涉显微镜.分光路干涉显微镜主要有Michelson、Mirau和Linik 3种类型,其光路原理如图1所示.共光路干涉显微镜以Nomarski为代表,其光路原理如图2所示.各种显微镜的分辨率和测量范围如表1所示.

　　Mirau干涉显微镜的光学原理为从光源发出的光束经过显微物镜后透过参考板,被分光板上的半透半反膜分成两路.一路透过分光板后由被测面发射,经分光板和参考板后回到显微镜视场中.另一路被分光板反射到镀在参考板表面上的小镜面上,从小镜面上反射回来的光束再次被分光板反射,然后穿过参考板到达显微镜视场,与第一路光束会合而发生干涉.Mirau干涉显微镜的特点是只使用了一个显微物镜,由于物镜对参考光束和测量光束的影响相同,因而测量时不会引入附加的光程误差.另外,参考光路和测量光路的工作条件接近,可以排除很多干扰因素.

　　1981年,美国亚历桑那大学的博士研究生Koliopoulos对Leitz公司生产的Mirau干涉显微镜进行了改装,将显微镜中的参考板固定在一块筒状的压电陶瓷上,通过计算机控制压电陶瓷驱动参考板沿光轴方向匀速移动,使参考光与测量光之间的相位差随时间作线性变化,因此,干涉场上各点的干涉光强就在亮与暗之间作正弦变化.由于被测表面上各点的微观高度差异,使干涉场上相应点的干涉相位也有所不同.利用CCD面阵探测干涉场上各点的光强,再用计算机将各点的光强测量数据拟合为正弦函数,通过比较各点正弦函数间的相位关系,就可以获得被测表面形貌的高度分布数据.1986年由WYKO公司生产出高精度的TOPO表面测量系统,该系统是目前世界上使用最广泛的一种表面形貌非接触测量系统,TOPO系统的光学原理如图3所示.