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光學(xué)干涉測量原理及應(yīng)用
光學(xué)干涉測量法作為一種重要的非接觸表面三維形貌測量手段，具有無損傷、率的特點，長期以來始終是國內(nèi)外高精度測量領(lǐng)域的研究熱點。便攜式光學(xué)表面三維形貌在線檢測儀就是基于光學(xué)干涉測量法設(shè)計的超光滑表面三維形貌檢測儀器，以解決機械、微電子、光學(xué)等領(lǐng)域超精密加工元件的高精度在線快速批量檢測問題，例如超大集成電路晶元、LED藍寶石襯底等元件的生產(chǎn)檢測，可應(yīng)用在芯片、LED、微機械、微光學(xué)、航空航天用光學(xué)陀螺、強激光、天文望遠鏡等生產(chǎn)與科研領(lǐng)域。 由于通用的光學(xué)表面三維形貌檢測儀體積較大，其光路系統(tǒng)和三維調(diào)整載物臺是分開的，依靠懸臂結(jié)構(gòu)將二者連接起來。這種結(jié)構(gòu)可獲得較大縱向測量范圍，但儀器受振動和氣流影響很大，穩(wěn)定性不足，需要配以抗振平臺或采用其他復(fù)雜的抗振措施，這就大大增加了儀器研發(fā)成本。加之采用傳統(tǒng)的測量臺結(jié)構(gòu)設(shè)計，被測件置于儀器的干涉測量物鏡和載物臺之間，限制了被測件的橫向尺寸，無法實現(xiàn)對大口徑光學(xué)元件表面的檢測。綜合以上因素，此類儀器只能用于實驗室檢測，無法滿足工業(yè)生產(chǎn)中在線測量的要求。 本作品采用光路、機械、電路和軟件算法的一體化和集成化技術(shù)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力；采用背測式技術(shù)，打破了被測件尺寸限制；采用重疊平均移相干涉測量技術(shù)，保證了測試精度。本作品實用性強，適用范圍廣，具有打破國外技術(shù)壟斷，實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的特點。 本作品主要研究內(nèi)容及成果包括：使用短相干LED干涉成像技術(shù)，提高成像質(zhì)量；依據(jù)干涉條紋對比度變化選定好的采樣區(qū)間，減小了系統(tǒng)誤差；優(yōu)化了光機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電路控制，提高了系統(tǒng)的便攜性和穩(wěn)定性；使用背測式結(jié)構(gòu)，載物臺位于物鏡和被測面之間，從而對被測面口徑無尺寸限制；使用了重疊平均移相干涉測量技術(shù)，將干涉測量精度提高到亞納米量級；開發(fā)了一套集PZT移相、CCD采集和面形計算分析于一體的軟件，將檢測時間壓縮到10秒鐘以內(nèi)。具體研究成果體現(xiàn)在以下幾個方面： (1) 短相干光干涉條紋的定位技術(shù) LED短相干光與激光相比具有較短的干涉波列長度，消除了干涉顯微系統(tǒng)中難以避免的激光散斑干擾，提高了成像質(zhì)量。但干涉波列長度的減短導(dǎo)致獲取干涉條紋遇到困難，要求被測表面的定位精度必須接近1微米。本作品在優(yōu)化光路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用高精度的調(diào)整平臺來解決這一問題，其調(diào)節(jié)精度達到亞微米量級，有效調(diào)節(jié)被測件的三維傾斜和軸向位移，為干涉成像提供保證。 (2) 干涉條紋定域區(qū)間優(yōu)選和移相精度校準 由于干涉波列長度的減小，不僅使成像面干涉條紋數(shù)減少，還使干涉條紋對比度隨光程差增大而迅速衰減，這就給從干涉條紋變化中解調(diào)相位信息帶來了困難。本作品一方面通過設(shè)計干涉濾光片帶寬，兼顧相干長度對短相干光源與干涉條紋對比度的要求，使得干涉條紋的定域區(qū)間得到優(yōu)化；另一方面通過軟件嚴格判定PZT移相起始位置和條紋圖像采樣范圍，使條紋采樣集中在干涉零位左右兩個波長范圍內(nèi)，從而有效解決了對比度變化導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差。 (3) 光路系統(tǒng)和機械系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計 在通用光學(xué)表面三維形貌檢測儀中，光路系統(tǒng)、干涉測量單元精密位移系統(tǒng)和被測件機械調(diào)整平臺由不同的模塊組成，在空間上相互獨立。這種結(jié)構(gòu)不僅增大了系統(tǒng)的體積，還會減弱系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本作品將光路系統(tǒng)嵌入機械系統(tǒng)內(nèi)部，使上述三個分立模塊融為一體，采用光機電算集成化技術(shù)，實現(xiàn)了儀器的高度集成。從而使得儀器的體積減小、穩(wěn)定性增加，有效抑制了振動和氣流等環(huán)境因素的影響。 (4) 背測式載物臺設(shè)計和兩種測量模式的開發(fā) 在應(yīng)用光機電算集成化技術(shù)的基礎(chǔ)上，本作品的載物臺采用背測式結(jié)構(gòu)，即載物臺位于被測表面與物鏡之間，物鏡通過載物臺通光孔檢測樣品表面形貌信息。同類儀器采用試件非工作面定位測量方式，這種方式存在重復(fù)性差、穩(wěn)定性低的難題。本作品不僅克服了以上難題，而且打破了對被測樣品橫向尺寸的限制。采用正置測量模式時，完成小口徑元件的檢測；采用倒置模式時，完成大口徑元件的檢測。 (5)移相算法的優(yōu)化和軟件系統(tǒng)的開發(fā) 本作品采用重疊平均移相干涉算法，保證了亞納米量級的測量精度；采用自主開發(fā)的軟件，完成對PZT相移系統(tǒng)和CCD采集系統(tǒng)的控制，以及檢測數(shù)據(jù)的分析處理；優(yōu)化軟件控制系統(tǒng)，使每次檢測時間壓縮到10秒鐘以內(nèi)，同時完善的數(shù)據(jù)評價系統(tǒng)為用戶評價產(chǎn)品面形質(zhì)量提供了方便。