一、概　述

　　機(jī)械零件的表面加工質(zhì)量不僅直接影響零件的使用性能，而且對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性及壽命也至關(guān)重要。隨著超精密加工技術(shù)的飛速發(fā)展，超精密加工表面的微觀形貌測(cè)量已成為超精密加工領(lǐng)域中亟待解決的關(guān)鍵課題。

　　超精密加工表面極為光滑，表面粗糙度Ra值 在幾分之一納米到十幾納米之間。加工超光滑表面的材料主要有光學(xué)玻璃、有機(jī)玻璃、石英玻璃等光學(xué)材料，鍺、硅等半導(dǎo)體材料及銅、鋁等金屬材料。表面微觀形 貌測(cè)量的傳統(tǒng)方法是機(jī)械觸針法，該方法可通過(guò)觸測(cè)直接獲得被測(cè)表面某一截面的輪廓曲線，經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，可得到接近真實(shí)輪廓的各種表面特征參 數(shù)。雖然該類儀器具有較高分辨率及較大量程（如Talystep觸針式輪廓儀分辨率可達(dá)0.1nm，測(cè)量范圍可達(dá)100μm），但由于測(cè)量時(shí)尖銳的金剛石觸針極易劃傷被測(cè)樣件的超光滑表面并引起測(cè)量誤差，因此其在超精密表面測(cè)量中的應(yīng)用受到一定限制。近年來(lái)，掃描隧道顯微鏡（STM）及其衍生物原子力顯微鏡（AFM）的出現(xiàn)，使表面微觀輪廓測(cè)量技術(shù)發(fā)生了革命性變革。該類儀器不但具有可達(dá)原子尺度的超高分辨率（橫向分辨率0．1nm，垂直分辨率0．01nm），還能獲得關(guān)于被測(cè)表面原子結(jié)構(gòu)及功能特性的大量信息。但STM 和AFM對(duì)測(cè)量環(huán)境要求苛刻，需要采取良好的隔振措施和配備復(fù)雜的傳感器運(yùn)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)，且儀器價(jià)格昂貴，測(cè)量范圍也較小，在實(shí)際應(yīng)用中還需解決精密隔振技術(shù)、壓電陶瓷的控制等技術(shù)難題。自1960年 激光器問世以來(lái)，由于激光具有單色性、相干性和方向性好、光強(qiáng)度高等特點(diǎn)，很快成為精密光學(xué)測(cè)量的理想光源，各種類型的激光干涉儀均以真空中的激光波長(zhǎng)作 為長(zhǎng)度測(cè)量基準(zhǔn)。主要采用激光作為測(cè)量光源的表面微觀形貌光學(xué)測(cè)量方法不僅能實(shí)現(xiàn)高精度的快速非接觸測(cè)量，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，因此在超精密表面非 接觸測(cè)量領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。目前較為成熟的光學(xué)測(cè)量方法主要有差頻法、掃描法、干涉法、衍射法等，同時(shí)一些新的方法正在研究開發(fā)之中。下面介紹幾種較為 典型的光學(xué)測(cè)量方法。

二、幾種典型的光學(xué)測(cè)量方法

　　1．X射線干涉儀

　　X射線干涉儀的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。儀器主要由分束器S、鏡子M和分析器A構(gòu)成，它們是在同一晶塊上制作的三片互相平行的截面為（111）或（220）的晶片，其材料需選用高度完整的單晶硅，因?yàn)閱尉Ч璧木Ц耖g距可以用作納米級(jí)精度的基本測(cè)量單位。當(dāng)X射線以布拉格角入射到X射線干涉儀上時(shí)，可在分析器后形成宏觀的莫爾干涉條紋。當(dāng)分析器沿其反射晶面的法線方向移動(dòng)時(shí)，每移動(dòng)一個(gè)晶格間距，輸出光強(qiáng)就變化一個(gè)周期，通過(guò)記錄輸出光強(qiáng)的變化周期數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)微位移測(cè)量。由于硅晶格間距僅為0．19nm，所以測(cè)量分辨率可達(dá)亞納米級(jí)。X射線干涉測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量分辨率及測(cè)量精度高，缺點(diǎn)是對(duì)環(huán)境要求較高，測(cè)量范圍相對(duì)較小。

　　2．差動(dòng)干涉儀

　　渥拉斯頓棱鏡型雙頻激光干涉儀的光學(xué)原理如圖2所示。激光器輸出頻率分別為f1、f2的光束，它們分別為左旋和右旋圓偏振光，經(jīng)過(guò)λ／4波片后，兩束圓偏振光變成偏振方向相互垂直的線偏振光。該光束由分光器3分為兩部分。向上反射部分作為參考光束，由透鏡5聚焦于光電元件6。偏振片4按45°放置，使會(huì)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(fā)生干涉，再由光電元件把干涉圖形的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送至放大器7。透過(guò)分光器3的光束即為測(cè)量光束，它通過(guò)由透鏡16、17組成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，經(jīng)平面反射鏡15折向渥拉斯頓棱鏡12，渥拉斯頓棱鏡則把測(cè)量光束中兩個(gè)不同偏振方向的光分開，再通過(guò)物鏡13會(huì)聚于被測(cè)工件14表面上的兩點(diǎn)，反射光束經(jīng)物鏡13后重新合成一束光，該光束再經(jīng)透鏡10和偏振片11會(huì)聚于光電元件9。光電元件9把干涉圖形的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送至放大器8，然后與放大器7上的參考信號(hào)進(jìn)行比相，再經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理即可得到被測(cè)表面輪廓的高度變化。差動(dòng)干涉儀既可用于測(cè)量微小位移和微小臺(tái)階高度，也可用于測(cè)量表面微觀輪廓。由于兩探測(cè)光點(diǎn)均落在工件上且距離很近，所以對(duì)振動(dòng)和溫度的變化均不敏感，其分辨率可達(dá)0．1nm數(shù)量級(jí)。

　　3．同軸干涉儀

　　同軸激光干涉儀的光學(xué)原理如圖3所示。儀器采用雙縱模熱穩(wěn)頻激光器1作為光源，波片2將激光束分為參考光束和測(cè)量光束。參考光束通過(guò)與偏振方向成45°放置的偏振片P45°射到接收參考信號(hào)的雪崩二級(jí)管3上；測(cè)量光束通過(guò)分光器2到平面鏡5，然后通過(guò)方解石棱鏡6。通過(guò)棱鏡6的中心光束，由透鏡9聚焦于物鏡11的焦面上后成為平行光，該光束為參考臂。通過(guò)物鏡11和透鏡9的調(diào)節(jié)，參考臂在試件表面上的光斑直徑可在0．1～4mm之間變化。被方解石晶體分開向左的光束作為測(cè)量臂，該光束聚焦于試件表面的最小直徑可達(dá)1μm。因此，當(dāng)參考光斑的直徑足夠大時(shí)，參考臂幾乎不受輪廓變化的影響，測(cè)量臂能檢測(cè)出被測(cè)表面輪廓極微小的變化，該儀器的分辨率約為0．5nm。

　　4．雙焦干涉儀

　　雙焦激光干涉儀的光學(xué)原理如圖4所示。He-Ne激光器1輸出的偏振光束經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)2及1／2波片4后進(jìn)入雙焦透鏡組5。通過(guò)雙焦透鏡的特殊設(shè)計(jì)，可使尋常光的焦點(diǎn)趨于無(wú)窮遠(yuǎn)，而異常光的焦點(diǎn)位于有限遠(yuǎn)。這兩束光再經(jīng)過(guò)與異常光共焦的顯微物鏡6后，尋常光被聚焦于被測(cè)表面上，而異常光經(jīng)物鏡準(zhǔn)直后成為細(xì)平行光束，也射到被測(cè)表面上。這兩束光分別作為測(cè)量光束和參考光束，由被測(cè)表面反射回來(lái)后再經(jīng)雙焦透鏡重新會(huì)合，經(jīng)半反射鏡8、9和λ／4波片及檢偏器P1、P2后分別產(chǎn)生干涉，兩組干涉條紋分別由探測(cè)器D1、D2接收。檢偏器P1、P2相互垂直并由微型電機(jī)11驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生調(diào)制的干涉條紋信號(hào)。該系統(tǒng)可獲得Ra2nm的垂直分辨率，其缺點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不緊湊，易受電子器件漂移的影響，回光調(diào)整比較困難。

　　5．光外差干涉儀

　　自1960年Crane首先提出光外差干涉原理以來(lái)，光外差干涉技術(shù)在位移、振動(dòng)及表面測(cè)量等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。圖5所示為用于納米測(cè)量的光外差馬赫—曾德干涉儀的光學(xué)原理。圖中M1～M4為反射鏡；AOM1、AOM2 為聲光調(diào)制器；Mr、Mm分別為參考平面鏡和測(cè)量平面鏡；BE1、BE2為擴(kuò)束系統(tǒng)；BS1、BS2為分光鏡；H1、H2為光闌；PD1、PD2為光電接收器。該儀器的測(cè)量原理是通過(guò)測(cè)量PD1和PD2輸出的干涉信號(hào)的相位差變化量，從而得到測(cè)量鏡Mm的位移量d＝λΔφ／720（式中λ為激光波長(zhǎng)，Δφ的單位為度）。該方法的優(yōu)點(diǎn)是抗外界干擾能力強(qiáng)，通過(guò)簡(jiǎn)單的比相技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)量分辨率，其缺點(diǎn)是非線性誤差較大。

三、表面微觀形貌光學(xué)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)

　　自 八十年代以來(lái)，陸續(xù)出現(xiàn)了多種測(cè)量原理的光學(xué)測(cè)量方法，如光切法、光學(xué)探針和干涉顯微鏡等。光學(xué)探針是以聚焦光束作為測(cè)量探針，利用不同的光學(xué)原理來(lái)檢測(cè) 被測(cè)表面微觀形貌相對(duì)于聚焦光學(xué)系統(tǒng)的微小間距變化；干涉顯微鏡是利用光波干涉原理來(lái)檢測(cè)表面微觀形貌，具有表面信息直觀性好、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，尤其是 近年來(lái)相移干涉技術(shù)在干涉顯微鏡中的應(yīng)用使其測(cè)量精度和測(cè)量速度均有大幅度的提高，其分辨率已超過(guò)1，測(cè)量重復(fù)精度達(dá)0．1。光切法和幾種光學(xué)探針及干涉顯微鏡測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)見下表。

表

測(cè)量方法 垂直分

辨率 橫向分

辨率 垂直測(cè)

量范圍 研制單位

光切法 1μm 20μm 　 日本東京大學(xué)

光學(xué)探針 共焦顯微鏡 1．5nm 1μm 250μm 德國(guó)豐譜公司

離焦誤差檢測(cè) 1nm 1μm 3μm 日本神奈川大學(xué)

外差干涉 1 1μm 　 美國(guó)斯坦福大學(xué)

微分干涉 1 1μm 4μm 美國(guó)羅徹斯特大學(xué)

干涉顯微鏡 Michelson 1 8μm ＜λ／2 美國(guó)亞利桑那大學(xué)

Mirau 1 1μm ＜λ／2 美國(guó)亞利桑那大學(xué)

Linik 1 0．5μm ＜λ／2 美國(guó)亞桑利那大學(xué)

Nomarski 4 　 ＞λ／2 　 

        近年來(lái)，表面微觀形貌光學(xué)測(cè)量方法日益受到重視，并在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品也逐步商品化，其中包括FECO interforemeter等色級(jí)條紋法測(cè)量?jī)x、Wyko公司的Mirau條紋掃描干涉儀、Zego公司的外差干涉儀等。1984年美國(guó)洛克希德導(dǎo)彈公司的Huang采用光學(xué)共模抑制技術(shù)研制成功了光學(xué)外差輪廓儀。1985年英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室的M．J．Downs采用雙折射晶體制成聚焦物鏡，研制成功了雙焦輪廓儀。這兩種光學(xué)輪廓儀能獲得極高的分辨率，但缺點(diǎn)是參考光斑尺寸較小，測(cè)量時(shí)易引起誤差。1986年瑞典皇家理工學(xué)院的Panter等人利用準(zhǔn)直參考光束獲得了直徑較大的參考光斑，解決了參考光斑過(guò)小的問題。1990年英國(guó)倫敦大學(xué)的Offide研制的光學(xué)輪廓儀垂直分辨率達(dá)到0．3nm。國(guó)內(nèi)許多科研單位在超精密表面非接觸測(cè)量方法和儀器的研究開發(fā)上也已取得了一些突破性進(jìn)展。1986年成都科技大學(xué)周肇飛教授等研制成功了同軸激光輪廓儀，解決了大參考光斑與高分辨率之間的矛盾。1990年，清華大學(xué)古麗蓉等人采用聲光調(diào)制外差干涉儀測(cè)量磁盤表面，獲得了1nm的分辨率，測(cè)量范圍為±30μm。1992年華中理工大學(xué)的尤政應(yīng)用差動(dòng)干涉儀獲得了Ra1nm的分辨率。1993年浙江大學(xué)卓永模等人研制的雙焦輪廓儀獲得了Ra2nm的垂直分辨率。但是，目前國(guó)內(nèi)的干涉儀研究工作基本上還屬于追蹤性研究，研制的一些儀器還未實(shí)現(xiàn)商品化，測(cè)量分辨率與國(guó)際先進(jìn)水平相比相差1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，還遠(yuǎn)不能滿足我國(guó)超精密加工表面檢測(cè)的需要。

　　綜上所述，超精密加工表面光學(xué)測(cè)量方法與觸針式輪廓儀、掃描探針顯微鏡等相比，具有分辨率高、測(cè)量范圍大、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在明顯的不足 之處，如表面相位易發(fā)生變化、對(duì)表面傾斜較敏感、量程小、定標(biāo)困難等，實(shí)際應(yīng)用時(shí)還存在漂移、低頻響應(yīng)、振動(dòng)識(shí)別等問題需要解決。由于利用光學(xué)方法測(cè)量表 面形貌時(shí)需要配備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高精度機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)，因此測(cè)量分辨率還要受到機(jī)械振動(dòng)、電路噪聲及機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)誤差等的影響。此外，光學(xué)方法的測(cè)量速度較 慢，光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)。目前超精密加工表面形貌測(cè)量技術(shù)的主要發(fā)展方向是提高測(cè)量系統(tǒng)橫向分辨率、實(shí)現(xiàn)三維形貌測(cè)量和在線檢測(cè)等。有關(guān)專家預(yù)測(cè)，在 今后十年內(nèi)，光學(xué)測(cè)量?jī)x器在光學(xué)結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的變化不會(huì)太大，主要的研究重點(diǎn)應(yīng)放在測(cè)量軟件的開發(fā)上，只有重視軟件的開發(fā)和應(yīng)用，才能使超精表面微 觀形貌測(cè)量技術(shù)水平不斷提高。