一种便携式光学表面轮廓仪
摘要：
研究了一种基于短相干光相移干涉法的便携式光学表面轮廓仪，分析了短相干光干涉显微镜相移干涉技术，实现了基于该项技术的光干涉显微系统。采用光路集成化的设计方法，实现了一体化轮廓仪光路集成，优化了机械三维调整测量台，实现了可用于大、小口径元件表面测量的正置、倒置两种测量模式。测试结果表明，仪器的粗糙度测量精度为0.1 nm，重复性误差优于0.01 nm，横向分辨率优于1 μm。
关键词：
短相干光相移干涉； 表面轮廓； 干涉显微镜； 粗糙度
中图分类号： TH 741.1文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.02.016
Abstract：
A portable microscopic profilometer is studied based on shortcoherent light phaseshifting interferometric technique.The portable microscopic profilometer was designed and implemented which was based on shortcoherent light interference microscopic techniques.The integration of the profilometer is achieved by integrating optical path.The design of mechanical 3D adjustment platform is optimized.The instrument contains upright and inverted measurement modes to adjust the detection of tiny and large aperture optical surfaces.The
measurement experiments of the profilometer are carried out under laboratory condition.The instrument’s accuracy is up to 0.1 nm.Repeatability error is better than 0.01 nm and lateral resolution is better than 1 μm.
Keywords：
shortcoherent light phaseshifting interferomotry； surface profile； interference microscope； roughness
引言
轮廓仪可以分为接触式和非接触式，最典型的接触式轮廓仪是触针式轮廓仪，它能够测量平面、球面、非球面等多种形状的表面轮廓[1]。触针式轮廓仪发展很早，目前国内外均有成熟的产品，英国Taylor Hobson 公司生产的PGI 1240 轮廓仪的分辨率优于0.8 nm，德国Nanoscan轮廓仪产品的分辨率优于0.6 nm。该类仪器具有量程大和精度较高的特点，但触针会不可避免地对表面产生一定的损伤，且需要大量的扫描时间，测量效率较低。非接触式可以分为扫描显微镜和光学轮廓仪，其中光学类又可分为光学探针法、偏振相移干涉法、显微干涉测量法等。与其他光学技术相比，干涉显微镜的放大倍数和分辨率较高，可以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。Veeco NT9100轮廓仪和4D公司动态光学轮廓仪的测量精度均可达0.1 nm，但不足的是NT9100受载物台尺寸和工作距离的，无法实现针对天文望远镜等大尺寸元件的面形检测，同时受被测样品厚度影响，每次测试都需要长时间的重新调试，因此无法适应工业生产检测中的快速批量检验。Nanoscan可以适用于不同口径元件的轮廓测量，但是物镜只能倒置测量，当被测件口径较小时，调整十分不便。国内Chang等[2]研制了WIVS 型白光干涉表面轮廓测量仪，垂直分辨率优于0.5 nm，垂直测量范围为0.25 mm。目前全世界绝大部分的
微电子和光学加工产业在中国，而这些仪器的测量技术是国外垄断的，价格非常昂贵，国内相对缺少此类仪器的开发。
本文针对上述问题，开发出基于相移干涉显微镜且稳定性强、精度高的便携式表面三维微观轮廓在线测量仪器，使其能够在工厂批量生产加工的过程中，无论在重复性还是在测量精度上均能达到在线使用的目的。
1系统基本原理
1.1移相干涉技术
光的干涉指当两束或多束相干光波在空间叠加时，形成光强强弱分布的现象。干涉图的光强表达式为
I（x，y，t）=A+Bcos[（x，y）+δ（t）]
（1）
式中：A为平均光强；B为光强调制度；（x，y）为待测相位；δ（t）为参考光波的相移量。光强I（x，y，t）可以通过探测器采集，若相移量是已知的，公式中只有平均光强、光强调制度、待测相位3个未知量，因此在移相过程中，对参考光加入步距为90°的光学相移[34]，即δ（t）依次取0，π/2，π，3π/2。根据采集到的4幅干涉图的光强数值，即可得到待测相位
（x，y）=arctanI4-I2I1-I3
（2）
进而得到被测面的各点的高度值，从而得到微表面的三维形貌。
1.2干涉显微镜技术
干涉显微镜结合了干涉仪技术和显微镜技术，通过对干涉条纹进行调制和解调来测量表面的微观不平度。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，可以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[5]。根据干涉显微物镜的光路结构和干涉实现方法，可以将其分为Michelson型、Mirau型和Linnik型三类[6]，与Linnik型干涉显微镜相比，Mirau型结构的参考光和测量光大部分共路，因此具有较好的抗干扰能力。与Michelson型干涉显微镜相比，Mirau型结构工作距离短、数值孔径大，有较高的放大倍率和空间分辨能力。故本系统采用Mirau型干涉显微物镜，其基本光路结构如图1所示。 宽带光LED光源发出的光束经分光棱镜导入显微镜系统中，当光束通过干涉物镜时，被分光镜分为两束。其中一束照射到被测表面，经过被测表面微观形貌调制后返回系统，另一束由参考镜反射回系统。两束光在显微镜筒中相遇并同时成像在CCD探测器靶面上。当两束光的光程差在相干长度范围内时会发生干涉叠加，形成干涉图，被测表面的三维形貌信息就记录在干涉图中。
驱动移相器进行移相，两束光波的光程差产生变化，对应的干涉图会相应地移动一个相位。通过CCD相机采集一系列干涉图，并采用移相干涉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。
2便携式光学表面轮廓仪系统设计
短相干光干涉显微镜的工作流程如图2所示：计算机控制移相系统按照预定距离进行移相操作，对应干涉成像系统中光程差发生变化，图像采集系统记录每次移相后干涉图光强分布信息并发送回计算机进行数据处理，最终将测试结果输出在操作界面上。
基于短相干光显微干涉成像原理，对干涉显微镜的软硬件结构进行系统设计，其整体结构外观如图3所示。仪器主要分为干涉成像系统、移相系统、图像采集系统、软件系统四部分。
干涉成像系统是在Mirau干涉物镜和单筒显微镜的基础上改装而成：使用三个支柱环形结构夹持单筒显微镜；加入LED照明装置可以实现同轴照明；将物镜替换为Mirau干涉显微物镜；目镜部分改为CCD探测器成像系统。设计的光路如图4所示，LED光源发出的平行光线经聚光镜组、孔径光阑、视场光阑聚束，经透反射镜反射进入Mirau干涉显微物镜，在干涉物镜内光线被分光镜分为两束，经参考面和被测件表面反射的两束光汇合，再经分光镜和聚光镜聚焦于CCD的靶面上，由相机采集干涉条纹。
3便携式光学表面轮廓仪工作模式
为了解决大口径光学元件的在位测量和超精密元件的高精度在线快速批量检测问题，我们将仪器设计为两种工作模式：当被测件为大口径光学元件如天文光学系统中的大口径镜面时，仪器采用倒置工作模式，如图5（a）所示，将物镜端向下放置在被测件表面不同位置进行采样测量，从而完成微观轮廓的三维形貌测量；当被测件的口径较小时，仪器采用正置工作模式，如图5（b）所示，将物镜端向上放置，将被测件被测面向下放置在载物台上，从而完成测量。这两种测量模式不仅满足了不同口径光学元件测量的需要，而且测量调节过程、切换区域甚至切换被测件都不会对工作距离产生太大影响，可以快速调整到合适位置进行下一步的测量，从而提高了效率。
4便携式光学表面轮廓仪性能及其测量实例
4.1性能
仪器的主要技术指标见表1。
其中准确度为算术平均偏差，表征了被测面高度信息的算术平均分布。
此外，为了更好地实现干涉显微镜的自动化控制和智能检测计算，开发了一套基于MFC平台且集控制、计算与反馈于一体的软件系统，使得对超光滑表面元件轮廓形貌的检测、计算和评价更加便捷。
4.2测量实例
（1） 蓝宝石的超光滑表面粗糙度测量
蓝宝石晶体作为制作LED芯片最常采用的衬底材料，其表面粗糙度的平均偏差值控制在0.3 nm以内[7]。采用本系统对某公司提供的超光滑蓝宝石衬底进行粗糙度质量检验，检测结果如图6所示，测得Ra为0.272 nm，Rq为0.361 nm。
图7为同类轮廓仪Veeco NT9100对蓝宝石表面的粗糙度测量结果，测得Ra为0.25 nm，Rq为0.32 nm与本系统的测试结果相符合。考虑到选取区域的差别会对结果产生一定的影响，因此可以表明研制的便携式光学表面轮廓仪的测试可靠性能满足要求。
（2） 碳化硅标准样块的粗糙度测量
美国BRUKER公司生产的碳化硅（SiC）标准样块RM1085系列的超光滑表面粗糙度为0.2 nm，用其标定轮廓仪的系统像差。使用本系统进行测量，检测结果如图8所示，测得Ra为0.184 nm，Rq为0.243 nm。
（3） 硬盘表面粗糙度测量
随着垂直磁记录技术在计算机硬盘中的发展与应用，硬盘的磁头飞行高度从2001年的15 nm降至2 nm，硬盘存储密度的提高和磁头飞行高度的降低，要求磁头、磁盘的表面粗糙度达到亚纳米级。本系统检测结果如图10所示，测得Ra为2.5 nm，Rq为3.228 nm。
图11为同类轮廓仪Veeco NT9100对硬盘的表面进行粗糙度测量，测得Ra为2.63 nm，Rq为3.31 nm，与我们的测试结果相符合。另外，由表面形貌图可清晰地看出硬盘表面的横向纹理，说明研制的便携式表面轮廓仪在光学元件的横向测量上拥有一定的测量精度。
（4） 大口径光学元件表面粗糙度测量
将该仪器应用于天文望远镜的大型镜面的面形测量中，如图12所示，对镜面进行采样测量，去除表面的脏点，测试结果如图13所示，得到RMS为1.6 nm，PV为15.9 nm。由图12可以看出，研制的便携式表面轮廓仪对于大口径光学元件的测量非常方便且好操作，避免了大口径光学元件表面测量的不可操作性。
5结论
本文根据移相干涉法，研制了一种基于短相干显微测量的便携式光学表面轮廓仪，完成仪器的光学干涉成像系统、精密相移位移系统、图像采集系统以及图像数据处理系统的设计与开发，通过大量的测试实验验证了系统的准确性、高效性和稳定性。
参考文献：
[1]高志山，陈进榜.表面微观形貌的显微干涉检测原理及干涉显微镜发展现状[J].光学仪器，1999，21（6）：32.
[2]CHANG S P，XIE T B，SUN Y L.Measurement of transparent film using vertical scanning whitelight interferometry[J].Journal of Physics：Conference Series，2006，48：10631067.
[3]玻恩M，沃耳夫E.光学原理上册[M].杨葭荪，译.北京：科学出版社，1981.
[4]迟泽英，陈文建.应用光学与光学设计基础[M].南京：东南大学出版社，2008：331333.
[5]HARIHARAN P，PRYPUTNIEWICZ E J，PRYPUTNIEWICZ R J.Minimization of systematic errors in phaseshifting interferometry：evaluation of
residuals[C]//Proceedings of SPIE 4101，Laser Interferometry X：Techniques and Analysis.San Diego，CA，USA：SPIE，2000，4101：582590.
[6]VERRIER L，VEILLAS C，LPINE T.Low coherence interferometry for central thickness measurement of rigid and soft contact lenses[J].Optics Express，2009，
17（11）：91579170.
[7]CHO Y S，KIM J，PARK Y J，et al.The effects of strained sapphire（0001）substrate on the structural quality of GaN epilayer[J].Physica Status Solidi，2004，241（12）：27222725.
（编辑：刘铁英）
