光学表面粗糙度轮廓仪测量介绍技术方法

光学表面粗糙度轮廓仪测量技术自２０世纪５０年代引入到表面形貌轮廓的测量中，非接触式测量开始快速发展。光学表面粗糙度轮廓仪测量技术是随着全息投影、激光等技术的研究而发展的技术。近几十年计算机技术的飞速发展，数据的高速处理和仪器的智能化促进了光学测量技术的发展。随着理论研究的不断深入，光学表面粗糙度轮廓仪测量技术逐渐应用于工业生产中。目前，光学表面粗糙度轮廓仪测量技术主要有：光学探针法、偏振相移干涉法、显微干涉测量法。

（1）光学探针法

光学探针法又称聚焦法，即光学探针将汇聚的光束模拟机械触针对被测面扫描测量，然后根据不同的原理检测被测面和焦点之间的微小间隙。由不同的光学原理，光学探针法可Ｗ分为几何光学探针法和物理光学探针法。几何光学探针本质上利用像面共親的特性来检测被测面的轮廓特征，分为共焦显微镜和离焦检测ｔｕ’Ｗ两种检测方法。物理光学探针是基于干涉的原理，分为外差干涉和微分干渉ｔＷ。

共焦显微镜

图：共焦显微镜的工作原理图
 

共焦显微镜工作原理是利用点光源对元件照明，如图所示，当元件的被测面位于焦面上时，聚焦的光束被点探测器接收，此时点探测器接收的入射光能量达到最大值；反之当被测表面偏离焦面时，光束不能完全汇聚，点探测器仅接收少量的光能。聚焦物镜在被测面上沿轴向扫描，当点探测器的输出量始终保持最大值，反馈的轴向位移即被测面的轮廓。共焦显微镜具有很强的垂直方向的分辨能力，其横向分辨率是同焦孔比的普通显微镜的１．４倍。

共焦显微镜的特点是光路结构简单，适用于Ｈ维微观轮廓的检测，且测量与物体表面材料基本无关，国内外的很多单位都有较成熟的产品。中国计量科学研究院于２００４年将共焦显微测量法和双频激光干涉测量法相结合，其纵向分辨率优于０．１ｎｍ，能精确地反映被测表面的王维轮廓。德国Ｌｅｉｃａ公司生产的ＤＣＭ３ＤＨ维轮廓仪使用了共焦干涉技术，同时获得Ｏ．ｌｎｍ的测量精度和１０ｍｍ的测量范围，在不到３秒的测量时间完成超光滑表面的构造参数的测量，并且可达到亚纳米分辨率精度。

（２）外差干涉式

外差式光学探针技术是通过参考信号和测量信号沿着相同的光路入射到物体的表面上，机械位移误差、环境振动和空气扰动等误差因素等对两束光信号的影响相同，在恢复被测面形貌时不会引入额外误差，从而提高了仪器的精度和抗干扰能力ＰＵ。外差干涉光学探针根据测量光路的不同可分为两种：一种是同轴外差干涉式，另外一种是不同轴外差干涉式，通过渥拉斯顿棱镜将折射后的两束光分开一段距离。美国洛克希德导弹空间公司的Ｈｕａｎｇ等人Ｐｓｉ研制了同轴外差式干涉轮廓仪，其测量分辨率可达Ｏ．Ｏｌｎｍ。

图：两种外差干涉式光学探针工作原理图
 

（３）微分干涉法

微分干涉法是一种横向对比的自相干技术，它将同一被测面发出的具有一定相位分布的光束沿横向分开一段微小的距离，或使其中一束光束沿径向缩小，从而构建出两束相干光，它们的干涉结果可反映相邻位置的表面高度变化。微分干涉法的特点是没有所谓的标准参考反射镜，测量精度不会受参考面精度的限巧ｄ。微分干涉法可ｙＡ获得很高的纵向分辨能力，如图所示Ｎｏｍａｒｓｋｉ干涉显微镜原理图，其垂直分辨率优于1nm。

图：nomarski干涉显微镜原理图

偏振相移干涉法

偏振相移干涉法是使参考光和测试光成为一对正交偏振光，在两束光中引入相移的方式，同一时刻采集具有不同相位差的干涉图。这样在同一时间采集到的干涉图所受的环境振动、空气扰动等影响相同，避免了额外的误差，从而提高测量精度的目的。

美国在1991年提出的同步移相干涉仪通过偏振相移的方式，如图所示，采用四个ＣＣＤ成像器件同时采集四幅相移干涉图，测量精度优于Ａ／５０。但由于测试中使用四个成像器件采集干涉图，引入了空间不一致的误差源。美国４Ｄ公司推出了ＰｈａｓｅＣａｍ系列的动态干涉仪，如图所示，利用全息衍射光学器件（ＨＯＥ）将光束分成四束光，并采用位相延迟板附加了０°，９０°，１８０°，２７０°的相移量，照射到同一ＣＣＤ铅面上。将一个透射方向与参考光和测试光的偏振方向成４５度的检偏器放置于成像器的前面，即可获得四幅移相干涉图。

图：动态干涉仅的工作原理图

（4）显微干渉测量法

显微干涉测量法是干涉测量技术与显微镜相结合的方法，其基本原理是利用两束光相干涉检测被测面，光程差受被测面轮廓调制而变化，通过对一幅或多幅条纹图进行解算得到表面轮廓。与其他用于表面轮廓检测的光学技术相比，干涉显微镜的放大倍数和分辨率较高，可Ｗ获得直观的表面轮廓信息，检测效率和检测精度都较为理想。根据不同的干涉光路的结构，显微干涉测量技术可分为共光路干涉和分光路干涉。共光路干涉是指参考光束和测试光束沿着共同的光路从被测表面上发生反射，具有较强的抗干扰能力。共光路干涉显微镜主要有双焦干涉显微镜（Ｄｙｓｏｎ巧日渥拉斯顿（Ｗｏｌｌａｓｔｏｎ）微分干涉显微镜，如图所示。

双焦干涉显微镜是在共焦显微镜的基础上，引入了一条对比光束，从而使探测器接收到干涉调制后的光照强度。当入射光使用激光时，系统相当于共焦显微镜与相移干涉仪的组合：系统纵向扫描，确定被测点亚微米量级的纵向深度，然后与参考面对比相位信息，将精度提升至纳米级。

分光路干涉显微镜指发生干涉的参考光束与测试光束不共路，基本原理是通过驱动移相器进行移相，两束光波的光程差产生变化，对应的干涉图会对应的移动一个相位。通过移相机制得到一系列干渉图，采用移相算法对干涉图进行计算，即可恢复出被测表面的轮廓信息分布。、

图：两种共光路干涉显微镜

根据干涉光路的结构主要分为Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ、Ｍｉｒａｕ、Ｌｉｎｎｉｋ型。目前显微干涉系统ＷＭｉｒａｕ型干涉显微镜的应用最为广泛，典型的Ｍｉｒａｕ型轮廓仪的干涉光路如图所示，微位移系统驱动Ｍｉｒａｕ干涉物镜沿着光轴方向扫描，ＣＣＤ相机记录被测表面各点光强值，通过解算干涉条纹图获得被测面的轮廓信息。根据光源的不同，光学显微测量法可分为应用单色光光源的相移千涉法（Ｐ巧和应用白光光源的垂直扫描干涉法（ＶＳＩ）。两种测量方法目前都已达到纳米量级的精度，适用于超光滑表面的离精度测量。

图：mirau型轮廓仪的干涉光路

垂直扫描干涉法的基本原理是通过干涉显微镜对被测表面扫描，记录每个样点处于零光程差位置时的位移值，从而获得被测表面的轮廓ＰＳ］。光源通常采用白光，当被测面的深度发生变化时，干涉条纹的光强和对比度也会随之而变。

使用白光光源的干涉显微镜纵向测量范围较大，可Ｗ检测峰谷高度相差较大的表面微观形貌，适用于有台阶面、沟槽等突变表面的表面形貌的测量。相移干涉法的基本原理是通过精密移相系统在两相干光之间引入相位差，使用探测器接收一幅或多幅干涉图的光强信号，然后利用相位提取技术获得物体的包裹相位值，通过相位解包裹算法获得物体真实相位。相移干涉测量纵向测量范围较小，相邻点的髙度不能超过测量光波长的的四分之一，但其精度可Ｗ达Ｘ／１０００，在超光滑表面形貌的测量中广泛应用。如美国Ｗｙｋｏ公司生产的ＮＴ９１００显微干涉轮廓仪配备了双ＬＥＤ照明光源，可Ｗ同时实现ＰＳＩ和Ｖ別两种测量模式，垂直扫描范围为Ｏ．ｌｎｍ－ｌｍｍ，垂直分辨率优于Ｏ．ｌｒｎｎ。

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