收藏本站 | RSS訂閱歡迎訪問皇家國際中國電工網
技術交流超精細加工外表微觀描摹的光學測量方法

超精細加工外表微觀描摹的光學測量方法

時間:2019年06月14日 02:58:01 | 編輯作者:皇家國際

    機械零件的外表加工質量不只直接影響零件的使用性能,并且對產品的質量、可靠性及壽數也至關重要。跟著超精細加工技能的飛速開展,超精細加工外表的微觀描摹丈量已成為超精細加工范疇中亟待處理的要害課題。

 

    超精細加工外表極為潤滑,外表粗糙度Ra值在幾分之一納米到十幾納米之間。加工超潤滑外表的資料首要有光學玻璃、有機玻璃、石英玻璃等光學資料,鍺、硅等半導體資料及銅、鋁等金屬資料。外表微觀描摹丈量的傳統辦法是機械觸針法,該辦法可經過觸測直接取得被測外表某一截面的概括曲線,經計算機進行數據處理剖析,可得到挨近實在概括的各種外表特征參數。盡管該類儀器具有較高分辨率及較很多程(如Talystep觸針式概括儀分辨率可達0.1nm,丈量規模可達100μm),但因為丈量時尖利的金剛石觸針極易劃傷被測樣件的超潤滑外表并引起丈量差錯,因而其在超精細外表丈量中的使用遭到必定約束。近年來,掃描隧道顯微鏡(STM)及其衍生物原子力顯微鏡(AFM)的呈現,使外表微觀概括丈量技能發作了革命性革新。該類儀器不光具有可達原子標準的超高分辨率(橫向分辨率0.1nm,筆直分辨率0.01nm),還能取得關于被測外表原子結構及功用特性的很多信息。但STM和AFM對丈量環境要求嚴苛,需求采納杰出的隔振辦法和裝備雜亂的傳感器運動伺服操控體系,且儀器價格昂貴,丈量規模也較小,在實踐使用中還需處理精細隔振技能、壓電陶瓷的操控等技能難題。自1960年激光器面世以來,因為激光具有單色性、相干性和方向性好、光強度高級特色,很快成為精細光學丈量的抱負光源,各種類型的激光干與儀均以真空中的激光波長作為長度丈量基準。首要選用激光作為丈量光源的外表微觀描摹光學丈量辦法不只能完成高精度的快速非觸摸丈量,并且體系結構簡略、成本低,因而在超精細外表非觸摸丈量范疇得到了迅速開展。現在較為老練的光學丈量辦法首要有差頻法、掃描法、干與法、衍射法等,一起一些新的辦法正在研討開發之中。下面介紹幾種較為典型的光學丈量辦法。

 

    一、幾種典型的光學丈量辦法

 

    1.X射線干與儀

 

    儀器首要由分束器S、鏡子M和剖析器A構成,它們是在同一晶塊上制造的三片彼此平行的截面為(111)或(220)的晶片,其資料需選用高度完好的單晶硅,因為單晶硅的晶格間隔能夠用作納米級精度的根本丈量單位。當X射線以布拉格角入射到X射線干與儀上時,可在剖析器后構成微觀的莫爾干與條紋。當剖析器沿其反射晶面的法線方向移動時,每移動一個晶格間隔,輸出光強就改變一個周期,經過記載輸出光強的改變周期數,即可完成微位移丈量。因為硅晶格間隔僅為0.19nm,所以丈量分辨率可達亞納米級。X射線干與丈量法的長處是丈量分辨率及丈量精度高,缺陷是對環境要求較高,丈量規模相對較小。

 

    2.差動干與儀

 

    渥拉斯頓棱鏡型雙頻激光干與儀的光學原理如圖2所示。激光器輸出頻率別離為f1、f2的光束,它們別離為左旋和右旋圓偏振光,經過λ/4波片后,兩束圓偏振光變成偏振方向彼此筆直的線偏振光。該光束由分光器3分為兩部分。向上反射部分作為參閱光束,由透鏡5聚集于光電元件6。偏振片4按45°放置,使集聚于光電元件的不同頻率的光束因具有相同的偏振方向而發作干與,再由光電元件把干與圖形的改變轉換為電信號送至放大器7。透過分光器3的光束即為丈量光束,它經過由透鏡16、17組成的望遠體系,經平面反射鏡15折向渥拉斯頓棱鏡12,渥拉斯頓棱鏡則把丈量光束中兩個不同偏振方向的光分隔。

 

    經過物鏡13集聚于被測工件14外表上的兩點,反射光束經物鏡13后從頭組成一束光,該光束再經透鏡10和偏振片11集聚于光電元件9。光電元件9把干與圖形的改變轉化為電信號送至放大器8,然后與放大器7上的參閱信號進行比相,再經過計算機處理即可得到被測外表概括的高度改變。差動干與儀既可用于丈量細小位移和細小臺階高度,也可用于丈量外表微觀概括。

 

    因為兩勘探光點均落在工件上且間隔很近,所以對振蕩和溫度的改變均不靈敏,其分辨率可達0.1nm數量級。

 

    3.同軸干與儀

 

    同軸激光干與儀的光學原理如圖3所示。儀器選用雙縱模熱穩頻激光器1作為光源,波片2將激光束分為參閱光束和丈量光束。參閱光束經過與偏振方向成45°放置的偏振片P45°射到接納參閱信號的雪崩二級管3上;丈量光束經過分光器2到平面鏡5,然后經過方解石棱鏡6。經過棱鏡6的中心光束,由透鏡9聚集于物鏡11的焦面上后成為平行光,該光束為參閱臂。經過物鏡11和透鏡9的調理,參閱臂在試件外表上的光斑直徑可在0.1~4mm之間改變。被方解石晶體分隔向左的光束作為丈量臂,該光束聚集于試件外表的較小直徑可達1μm。因而,當參閱光斑的直徑足夠大時,參閱臂簡直不受概括改變的影響,丈量臂能檢測出被測外表概括極細小的改變,該儀器的分辨率約為0.5nm。

 

    4.雙焦干與儀

 

    He-Ne激光器1輸出的偏振光束經擴束準直體系2及1/2波片4后進入雙焦透鏡組5。經過雙焦透鏡的特別規劃,可使尋常光的焦點趨于無窮遠,而反常光的焦點坐落有限遠。這兩束光再經過與反常光共焦的顯微物鏡6后,尋常光被聚集于被測外表上,而反常光經物鏡準直后成為細平行光束,也射到被測外表上。這兩束光別離作為丈量光束和參閱光束,由被測外表反射回來后再經雙焦透鏡從頭會集,經半反射鏡8、9和λ/4波片及檢偏器P1、P2后別離發生干與,兩組干與條紋別離由勘探器D1、D2接納。檢偏器P1、P2彼此筆直并由微型電機11驅動旋轉,發生調制的干與條紋信號。該體系可取得Ra2nm的筆直分辨率,其缺陷是體系結構不緊湊,易受電子器件漂移的影響,回光調整比較困難。

 

    5.光外差干與儀

 

    自1960年Crane首要提出光外差干與原理以來,光外差干與技能在位移、振蕩及外表丈量等范疇得到了廣泛使用。該儀器的丈量原理是經過丈量PD1和PD2輸出的干與信號的相位差改變量,然后得到丈量鏡Mm的位移量d=λΔφ/720(式中λ為激光波長,Δφ的單位為度)。該辦法的長處是抗外界攪擾能力強,經過簡略的比相技能即可完成較高的丈量分辨率,其缺陷對錯線性差錯較大。

 

    二、外表微觀描摹光學丈量技能的開展動態

 

    自八十年代以來,連續呈現了多種丈量原理的光學丈量辦法,如光切法、光學探針和干與顯微鏡等。光學探針是以聚集光束作為丈量探針,使用不同的光學原理來檢測被測外表微觀描摹相對于聚集光學體系的細小間隔改變;干與顯微鏡是使用光波干與原理來檢測外表微觀描摹,具有外表信息直觀性好、丈量精度高級長處,尤其是近年來相移干與技能在干與顯微鏡中的使用使其丈量精度和丈量速度均有大幅度的進步,其分辨率已超越1A,丈量重復精度達0.1A。

 

    近年來,外表微觀描摹光學丈量辦法日益遭到注重。

 

    1984年美國洛克希德導彈公司的Huang選用光學共模按捺技能研發成功了光學外差概括儀。1985年英國國家物理實驗室的M.J.Downs選用雙折射晶體制成聚集物鏡,研發成功了雙焦概括儀。這兩種光學概括儀能取得極高的分辨率,但缺陷是參閱光斑尺度較小,丈量時易引起差錯。1986年瑞典皇家理工學院的Panter等人使用準直參閱光束取得了直徑較大的參閱光斑,處理了參閱光斑過小的問題。1990年英國倫敦大學的Offide研發的光學概括儀筆直分辨率到達0.3nm。國內許多科研單位在超精細外表非觸摸丈量辦法和儀器的研討開發上也已取得了一些突破性發展。1986年成都科技大學周肇飛教授等研發成功了同軸激光概括儀,處理了大參閱光斑與高分辨率之間的對立。1990年,清華大學古麗蓉等人選用聲光調制外差干與儀丈量磁盤外表,取得了1nm的分辨率,丈量規模為±30μm。1992年華中理工大學的尤政使用差動干與儀取得了Ra1nm的分辨率。1993年浙江大學卓永模等人研發的雙焦概括儀取得了Ra2nm的筆直分辨率。

 

    可是,現在國內的干與儀研討工作根本上還歸于追尋性研討,研發的一些儀器還未完成商品化,丈量分辨率與國際先進水平比較相差1~2個數量級,還遠不能滿意我國超精細加工外表檢測的需求。

 

    綜上所述,超精細加工外表光學丈量辦法與觸針式概括儀、掃描探針顯微鏡等比較,具有分辨率高、丈量規模大、丈量精度高級長處,但一起也存在顯著的不足之處,如外表相位易發作改變、對外表歪斜較靈敏、量程小、定標困難等,實踐使用時還存在漂移、低頻呼應、振蕩辨認等問題需求處理。因為使用光學辦法丈量外表描摹時需求裝備結構雜亂的高精度機械掃描組織,因而丈量分辨率還要遭到機械振蕩、電路噪聲及機械掃描組織運動差錯等的影響。此外,光學辦法的丈量速度較慢,光學體系的調整時刻較長。現在超精細加工外表描摹丈量技能的首要開展方向是進步丈量體系橫向分辨率、完成三維描摹丈量和在線檢測等。有關專家猜測,在往后十年內,光學丈量儀器在光學結構和機械結構方面的改變不會太大,首要的研討要點應放在丈量軟件的開發上,只要注重軟件的開發和使用,才能使超精外表微觀描摹丈量技能水平不斷進步。

相關文章:
cba直播 打二维码赚钱网 百世快递 站点赚钱吗 卖衣服能赚钱不 扑克麻将价格 做广告什么赚钱 捕鱼大师官网_捕鱼大师apple 我想做手机麻将代理 工作室如何利用页游赚钱 在高档小区怎么赚钱 做贴吧推广赚钱吗 全民欢乐捕鱼兑换码领取 湖南麻将下载免费下载 有没有哪种种花赚钱的游戏 长野蘑菇包装赚钱吗 欢乐捕鱼4破解版 在哪里读书赚钱