基于垂直扫描工作台的白光干涉表面形貌测量系统研究

扫描白光干涉显微测量技术是近年来发展起来的一种表面微观形貌测量技术,它具有非接触、大量程、高精度、高效率的特点。本文基于扫描白光显微干涉测量原理,利用研制的光栅计量型扫描定位工作台,通过对国产6JA显微仪光学系统的改造,实现了在计算机控制下的工作台垂直扫描、光栅计量定位、CCD采集干涉图像、计算机自动完成形貌计算和评定的扫描白光干涉微观形貌测量系统。仪器的主要技术指标为:垂直测量范围:0～60μm;垂直分辨率:2nm;显微镜数值孔径:0.65;横向测量范围:φ0.25 mm;横向分辨率:0.52μm;形貌重复测量误差小于±5%。 本文的核心内容包括两部分:第一部分是垂直扫描定位工作台的研制,第二部分是扫描白光干涉理论及形貌提取算法的研究。论文的主要改进及创新如下: (1)研制了共光栅标准计量器的粗、精两级定位垂直扫描工作台,满足了大行程、纳米级定位精度的测量要求。研制的工作台粗定位级扫描范围达5mm,精定位级为60μm,定位分辨率优于2nm。工作台的设计已申请了国家发明专利(申请号:200510018618.1)。 (2)建立了显微干涉系统的数学模型,揭示了数值孔径、光源光谱分布对干涉条纹及其包络分布的影响规律,分析了它们对形貌测量灵敏度和范围的影响。 (3)提出了等步距白光相移快速算法,解决了白光干涉测量中形貌的快速、准确提取问题,完成了光源带宽、数值孔径、移相步距等因素对算法精度影响的分析。 (4)完成了扫描白光干涉形貌测量仪的研制。设计的仪器具有模块化的特点:干涉仪和扫描工作台相互独立,使系统具有极大的灵活性,可以与不同型号、不同数值孔径的干涉仪配合,以满足多样化的测量需求。 研制的基于扫描白光干涉原理的表面形貌测量系统可以满足机械加工表面粗糙度以及微电路、微光学元件、微机械等微观结构表面轮廓的测量要求,具有非接触、高精度、可靠性好,价格便宜的特点。