CN2099299U

CN2099299U - 一种超精密表面非接触测量装置

Info

Publication number: CN2099299U
Application number: CN 91224211
Authority: CN
Inventors: 陈家璧; 陈涛; 龙政; 杨曙年; 李�柱
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 1991-08-30
Filing date: 1991-08-30
Publication date: 1992-03-18

Abstract

该装置涉及超精密表面轮廓非接触测量，它由平行两光束外差干涉***构成，包括激光器(1)扩束透镜(2)、分光镜(3)、反射镜(4)及声光调制器(5)、(6) 分光镜(7)、(11)、(10)、分光镜(8)、(9)等。该装置实现了将测量面同时设计成参考面的目的，使机械运动、随机偏摇误差得到消除，同时也避免了光学元件设计、加工及光路调整的困难，制造成本降低。被测对象可以是磁盘等高精密表面。

Description

本实用新型涉及超精密表面轮廓非接触测量

在超精密表面粗糙度的非接触测量中，光外差方法是比较常用而有效的方法，但需要解决一个标准的参考表面问题，凭借光束在此表面上产生的反射而提供一个参考信号，从而有可能通过比较被测表面不同位置相对参考面的高度变化来测量被测表面轮廓。通常，采用光束扫描的方法来获得被测表面的轮廓，因此，要求被测表面与光学***之间可以作相对运动。但这种动态的测量过程及被测表面本身的装调误差必将引起测量光程的变化，其结果是光程差的变化不仅反映出表面轮廓的变化，且包含着机械运动的误差。解决上述问题的有效方法是将被测面同时又设计成参考面。如美国《应用光学》（APPLIED OPTICS），VOL25，NO.22／15 NOVEMBER1986，DAN PANTZER，JACOBPOLITCH等所著文“HETERODYNE PROFILING INSTRUMENT FOR THE ANGSTROM REGION”（

级范围的光外差轮廓仪）及美国专利US－4634880中介绍了参考光束与测量光束共光路（合为一束光）的设计方法，使该两束光共轴，用宽光照明被测表面，以被测表面积内被测表面的平均高度作为参考面。测量光针与其共轴。这样一种光学***及其装置，虽然基本上可以解决上述缺点，但它对激光光源的性能要求极高，要求激光光源为双频，偏振激光器，对聚光透镜材料要求苛刻，要求对不同频率不同偏振方向的光起不同的作用（聚光和不聚光）。各分光镜的设计复杂，要求能对两种不同频率和偏振方向的光有不同的反射率和透射率，因此镀膜难度高，共轴光路同轴度的要求高，使光学***调整十分困难，且能量利用率低。

为克服上述现有技术存在的缺点，本实用新型的目的是提供一种由平行两光束外差干涉***构成的超精密表面粗糙度非接触测量装置。

本实用新型可通过以下技术方案实施。由激光器发出的单色光作为光源，经扩束透镜后由分光镜和反射镜形成平行两光束，分别通过声光调制器、分光镜、使两束光在探测器处相干，产生拍频信号（相位检测参考信号）。平行光束一路经光阑、透镜、分光镜，反射镜至被测物表面，反射后至另一个探测器，另一路经光阑、分光镜、反射镜、显微透镜至被测物表面，反射后至同一探测器，在该探测器处相干形成第二组拍频信号。构成本实用新型的基本原理如图1所示。由激光器1发出的单色光经分光镜BS₁和反射镜M₁分为两束平行的，被声光调制器AO₁与AO₂衍射线具有微小频差△f的两束光A与B。A光束由分光镜BS₂分光后射向探测器D₁，B光束经分光镜BS₃分光后经BS₂射向探测器D₁，这样A、B两束光在探测器D₁处相干，产生频率为△f的拍率信号。由于A、B两路光的光程差固定不变，在本实用新型中被用作相位检测参考信号。另一组拍率信号在探测器D₂是这样形成的，A路光在BS₂分光，经反射镜M₁至被测表面OBJ反射到探测器D₂上的，B光路经分光镜BS₃、反射镜M₃、聚焦透镜L后，聚焦于被测物OBJ表面反射回L、M₃、BS₃到D₂上，在探测器D₂处相干，产生另一组拍率信号。当被测面OBJ不动时，这一拍率信号与参考拍频信号之间的相位差是恒定不变的，当被测表面沿垂直于光轴的方向运动时（因表面凸凹不平，相当于被测物作此运动），由于M₄反射到物面OBJ的一束光以较大的面积在物面OBJ反射，所含信息为被照明面积内的平均高度，而经聚焦透镜L后的一束光是以聚焦光针在OBJ物面上反射，所含信息为被测表面在反射点处的高度。这样，平行两束光A、B之间的光程差将随着被测面OBJ表面微观不平度的变化而变化，使D₂探测到的拍频信号相对于参考拍频信号发生相位移动。设物面高度变化为△h，则所引起的光程变化为2△h，得到的相位移动为△φ，它们的关系为：2△h＝ (λ)/(2π) △φ，或△h＝ (λ)/(4π) △φ，式中λ为光波波长。这样，通过检相技术测出△φ后即可测出△h。

本实用新型的优点在于，根据以上原理实现了将测量面同时设计成参考面的目的，摒弃其轴光路***，而是采用两束不同轴的平行光束产生外差干涉测量信号，并以被测物的平均高度为基准来测量表面高度的变化。根据这种光学系设计的装置，使得由于导轨运动等造成机械精度误差和随机偏摇所引起的误差在最后测量结果中得到消除，确保精密测量结果，同时也避免了光学元件设计、加工及光路调整的困难及光噪声的影响，因而降低了超精密机械加工带来的高成本缺点。

附图说明如下：

图1 平行两光束外差干涉粗糙度非接触测量原理图

图2 平行两光束外差干涉粗糙度非接触测量装置示意图。

本实用新型还可通过实施例及其相关附图说明如下：如图2所示，本装置采用的光源为氦、氖激光器1，输出波长为6328 ，输出光斑直径小于1mm，发散角为0.003rad，输出光功率大于1.5mv。该光束经分光镜3分光与反射镜4反射后形成平行两光束。为了给外差干涉提供调制频率，在本装置中采用了两个工作频率稍有差别的声光调制器5和6，其工作频率分别为100.1MHz和100MHz，要求其衍射效率不小于85％，衍射角大于1.0⁰，频率稳定性在10^－6以上。从声光调制器5和6出来的两束光分别经分光镜7、11、10和经分光镜8、10在探测器9处相干产生本实用新型相位检测参考信号的拍频信号。第二组拍频信号是这样产生的，从声光调制器5、6出来平行两光束，一路经光阑21、准直透镜20、分光镜19、反光镜18至被测物15表面，反射后至探测器14，另一路经光阑12、分光镜13、反光镜17、显微物镜16至被测物15表面，反射后至探测器14，完成第二组拍频信号。在外差干涉中，为确保干涉条纹的宽度，对两束干涉光在干涉位置处的曲率半径有相应要求，因此在光学***中设计了光束耦合部分，由扩束透镜2、准直透镜20组成，前者的作用使激光器输出光束与显微物镜16相耦合，充分利用显微物镜的口径，保证聚焦光斑的尺寸。由于所用光源氦－氖激光器具有光束口径小，分散角小的特点，整个***可视为小孔径、小视场***，***的象差主要是球差。由于球差相对于光轴均匀对称分布，对最后的测量结果几乎没有影响，因此光束耦合***中的透镜2和20可选用单透镜，它们的焦距分别为43.79mm，276.127mm，外径均设计成φ15，选材玻璃K9，并镀6328

的增透膜。聚焦透镜16选用显微镜物镜，将光束聚焦成直径小于1μm的光斑，被用作测量头，选用数值孔径NA＝0.65放大倍率β＝40显微物镜，以满足本装置的聚焦。分辨等要求，装置中反射镜4、11、18、17的反射率不低于98％，分光镜3、7、8、10、19、13的分光比取10－90％不等，分光比根据两束光在相干处的能量比确定。探测器9和14采用PIN－FET混合集成光敏器件12和21为光阑。被测对象可以是磁盘等高精密表面，要求反射率不低于7％。

Claims

1、一种超精密表面非接触测量装置，其特征为该装置由平行两光束外差干涉***构成，包括由激光器(1)发出的单色光作为光源，经扩束透镜(2)后，由分光镜(3)和反射镜(4)形成平行两光束，分别通过声光调制器(5)和(6)，分光镜(7)、(11)、(10)，分光镜(8)、(9)使两束光在探测器(9)处相干产生拍频信号(相位检测参考信号)，平行两光束中一路经光阑(21)、透镜(20)、分光镜(19)、反射镜(18)至被测物(15)表面，反射后至探测器(14)，另一路经光阑(12)分光镜(13)、反射镜(17)、显微透镜(16)至被测物(15)表面反射后至探测器(14)，在探测器(14)处相干形成第二组拍频信号。