[实用新型]一种超精密表面非接触测量装置

说明书

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系统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。这样一种光学系统及其装置，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，使光学系统调整十分困难，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系统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。