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光學輪廓儀的測量原理及應用
光學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外高精度測量領域的研究熱點。便攜式光學表面三維形貌在線檢測儀就是基于光學干涉測量法設計的超光滑表面三維形貌檢測儀器，以解決機械、微電子、光學等領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檢測，可應用在芯片、LED、微機械、微光學、航空航天用光學陀螺、強激光、天文望遠鏡等生產與科研領域。 由于通用的光學表面三維形貌檢測儀體積較大，其光路系統和三維調整載物臺是分開的，依靠懸臂結構將二者連接起來。這種結構可獲得較大縱向測量范圍，但儀器受振動和氣流影響很大，穩定性不足，需要配以抗振平臺或采用其他復雜的抗振措施，這就大大增加了儀器研發成本。加之采用傳統的測量臺結構設計，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，無法實現對大口徑光學元件表面的檢測。綜合以上因素，此類儀器只能用于實驗室檢測，無法滿足工業生產中在線測量的要求。 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，提高了系統穩定性和抗干擾能力；采用背測式技術，打破了被測件尺寸限制；采用重疊平均移相干涉測量技術，保證了測試精度。本作品實用性強，適用范圍廣，具有打破國外技術壟斷，實現技術創新的特點。 本作品主要研究內容及成果包括：使用短相干LED干涉成像技術，提高成像質量；依據干涉條紋對比度變化選定采樣區間，減小了系統誤差；優化了光機系統結構和電路控制，提高了系統的便攜性和穩定性；使用背測式結構，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，將干涉測量精度提高到亞納米量級；開發了一套集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。具體研究成果體現在以下幾個方面： (1) 短相干光干涉條紋的定位技術 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中難以避免的激光散斑干擾，提高了成像質量。但干涉波列長度的減短導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。本作品在優化光路結構基礎上，采用高精度的調整平臺來解決這一問題，其調節精度達到亞微米量級，有效調節被測件的三維傾斜和軸向位移，為干涉成像提供保證。 (2) 干涉條紋定域區間優選和移相精度校準 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相位信息帶來了困難。本作品一方面通過設計干涉濾光片帶寬，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間得到優化；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，從而有效解決了對比度變化導致的系統誤差。 (3) 光路系統和機械系統集成優化設計 在通用光學表面三維形貌檢測儀中，光路系統、干涉測量單元精密位移系統和被測件機械調整平臺由不同的模塊組成，在空間上相互獨立。這種結構不僅增大了系統的體積，還會減弱系統的穩定性。本作品將光路系統嵌入機械系統內部，使上述三個分立模塊融為一體，采用光機電算集成化技術，實現了儀器的高度集成。從而使得儀器的體積減小、穩定性增加，有效抑制了振動和氣流等環境因素的影響。 (4) 背測式載物臺設計和兩種測量模式的開發 在應用光機電算集成化技術的基礎上，本作品的載物臺采用背測式結構，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，這種方式存在重復性差、穩定性低的難題。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)移相算法的優化和軟件系統的開發 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；采用自主開發的軟件，完成對PZT相移系統和CCD采集系統的控制，以及檢測數據的分析處理；優化軟件控制系統，使每次檢測時間壓縮到10秒鐘以內，同時完善的數據評價系統為用戶評價產品面形質量提供了方便。