超精密加工表面微觀形貌的光學(xué)測(cè)量方法
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機(jī)械零件的表面加工質(zhì)量不僅直接影響零件的使用性能，而且對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性及壽命也至關(guān)重要。隨著超精密加工技術(shù)的飛速發(fā)展，超精密加工表面的微觀形貌測(cè)量已成為超精密加工領(lǐng)域中亟待解決的關(guān)鍵課題。
超精密加工表面極為光滑，表面粗糙度Ra值在幾分之一納米到十幾納米之間。加工超光滑表面的材料主要有光學(xué)玻璃、有機(jī)玻璃、石英玻璃等光學(xué)材料，鍺、硅等半導(dǎo)體材料及銅、鋁等金屬材料。表面微觀形貌測(cè)量的傳統(tǒng)方法是機(jī)械觸針法，該方法可通過(guò)觸測(cè)直接獲得被測(cè)表面某一截面的輪廓曲線，經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，可得到接近真實(shí)輪廓的各種表面特征參數(shù)。雖然該類儀器具有較高分辨率及較大量程（如Talystep觸針式輪廓儀分辨率可達(dá)0.1nm，測(cè)量范圍可達(dá)100μm），但由于測(cè)量時(shí)尖銳的金剛石觸針極易劃傷被測(cè)樣件的超光滑表面并引起測(cè)量誤差，因此其在超精密表面測(cè)量中的應(yīng)用受到一定限制。近年來(lái)，掃描隧道顯微鏡（STM）及其衍生物原子力顯微鏡（AFM）的出現(xiàn)，使表面微觀輪廓測(cè)量技術(shù)發(fā)生了革命性變革。該類儀器不但具有可達(dá)原子尺度的超高分辨率（橫向分辨率0．1nm，垂直分辨率0．01nm），還能獲得關(guān)于被測(cè)表面原子結(jié)構(gòu)及功能特性的大量信息。但STM和AFM對(duì)測(cè)量環(huán)境要求苛刻，需要采取良好的隔振措施和配備復(fù)雜的傳感器運(yùn)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)，且儀器價(jià)格昂貴，測(cè)量范圍也較小，在實(shí)際應(yīng)用中還需解決精密隔振技術(shù)、壓電陶瓷的控制等技術(shù)難題。自1960年激光器問(wèn)世以來(lái)，由于激光具有單色性、相干性和方向性好、光強(qiáng)度高等特點(diǎn)，很快成為精密光學(xué)測(cè)量的理想光源，各種類型的激光干涉儀均以真空中的激光波長(zhǎng)作為長(zhǎng)度測(cè)量基準(zhǔn)。主要采用激光作為測(cè)量光源的表面微觀形貌光學(xué)測(cè)量方法不僅能實(shí)現(xiàn)高精度的快速非接觸測(cè)量，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，因此在超精密表面非接觸測(cè)量領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。目前較為成熟的光學(xué)測(cè)量方法主要有差頻法、掃描法、干涉法、衍射法等，同時(shí)一些新的方法正在研究開發(fā)之中。下面介紹幾種較為典型的光學(xué)測(cè)量方法。
二、幾種典型的光學(xué)測(cè)量方法
1．X射線干涉儀
X射線干涉儀的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。儀器主要由分束器S、鏡子M和分析器A構(gòu)成，它們是在同一晶塊上制作的三片互相平行的截面為（111）或（220）的晶片，其材料需選用高度完整的單晶硅，因?yàn)閱尉Ч璧木Ц耖g距可以用作納米級(jí)精度的基本測(cè)量單位。當(dāng)X射線以布拉格角入射到X射線干涉儀上時(shí)，可在分析器后形成宏觀的莫爾干涉條紋。當(dāng)分析器沿其反射晶面的法線方向移動(dòng)時(shí)，每移動(dòng)一個(gè)晶格間距，輸出光強(qiáng)就變化一個(gè)周期，通過(guò)記錄輸出光強(qiáng)的變化周期數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)微位移測(cè)量。由于硅晶格間距僅為0．19nm，所以測(cè)量分辨率可達(dá)亞納米級(jí)。X射線干涉測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量分辨率及測(cè)量精度高，缺點(diǎn)是對(duì)環(huán)境要求較高，測(cè)量范圍相對(duì)較小。
圖1 X射線干涉儀結(jié)構(gòu)原理圖
渥拉斯頓棱鏡型雙頻激光干涉儀的光學(xué)原理如圖2所示。激光器輸出頻率分別為f1、f2的光束，它們分別為左旋和右旋圓偏振光，經(jīng)過(guò)λ／4波片后，兩束圓偏振光變成偏振方向相互垂直的線偏振光。該光束由分光器3分為兩部分。向上反射部分作為參考光束，由透鏡5聚焦于光電元件6。偏振片4按45°放置，使會(huì)聚于光電元件的不同頻率的光束因具有相同的偏振方向而發(fā)生干涉，再由光電元件把干涉圖形的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送至放大器7。透過(guò)分光器3的光束即為測(cè)量光束，它通過(guò)由透鏡16、17組成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，經(jīng)平面反射鏡15折向渥拉斯頓棱鏡12，渥拉斯頓棱鏡則把測(cè)量光束中兩個(gè)不同偏振方向的光分開，再通過(guò)物鏡13會(huì)聚于被測(cè)工件14表面上的兩點(diǎn)，反射光束經(jīng)物鏡13后重新合成一束光，該光束再經(jīng)透鏡10和偏振片11會(huì)聚于光電元件9。光電元件9把干涉圖形的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送至放大器8，然后與放大器7上的參考信號(hào)進(jìn)行比相，再經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理即可得到被測(cè)表面輪廓的高度變化。差動(dòng)干涉儀既可用于測(cè)量微小位移和微小臺(tái)階高度，也可用于測(cè)量表面微觀輪廓。由于兩探測(cè)光點(diǎn)均落在工件上且距離很近，所以對(duì)振動(dòng)和溫度的變化均不敏感，其分辨率可達(dá)0．1nm數(shù)量級(jí)。
圖2 雙頻激光干涉儀光學(xué)原理圖
同軸激光干涉儀的光學(xué)原理如圖3所示。儀器采用雙縱模熱穩(wěn)頻激光器1作為光源，波片2將激光束分為參考光束和測(cè)量光束。參考光束通過(guò)與偏振方向成45°放置的偏振片P45°射到接收參考信號(hào)的雪崩二級(jí)管3上；測(cè)量光束通過(guò)分光器2到平面鏡5，然后通過(guò)方解石棱鏡6。通過(guò)棱鏡6的中心光束，由透鏡9聚焦于物鏡11的焦面上后成為平行光，該光束為參考臂。通過(guò)物鏡11和透鏡9的調(diào)節(jié)，參考臂在試件表面上的光斑直徑可在0．1～4mm之間變化。被方解石晶體分開向左的光束作為測(cè)量臂，該光束聚焦于試件表面的最小直徑可達(dá)1μm。因此，當(dāng)參考光斑的直徑足夠大時(shí)，參考臂幾乎不受輪廓變化的影響，測(cè)量臂能檢測(cè)出被測(cè)表面輪廓極微小的變化，該儀器的分辨率約為0．5nm。
圖3 同軸激光干涉儀光學(xué)原理圖
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