WIVS测量和工作原理.pdf

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1、WIVS测量和工作原理1白光干涉特性白光光源的辐射包含了整个可见光谱区域的光谱成份，为连续光谱。发生干涉时，各波长将产生各自的一组干涉条纹。当光程差为零时（零级条纹处），各波长的零级条纹完全重合，随着光程差及干涉级数的增加，各波长的干涉条纹彼此逐渐错开，这种错开会使条纹对比度逐步下降，到一定程度时干涉条纹将消失。图1为白光干涉光强变化的一般规律曲线，在零光程差位置(零级条纹处)附近的条纹对比度最大，此处可以认为是最佳干涉位置。随级数的增加,干涉条纹对比度迅速下降,直到条纹消失。图1白光干涉光强变化曲线显

2、然，由白光光源产生的两束相干光波间允许的光程差极小，基本上要在等光程位置附近才能观察到干涉条纹，而且条纹也只有为数不多的几条。依据该特征，如果考虑使干涉条纹移动，那么对于被测表面上的任意一个采样点，其光强将呈现出类似图1的变化趋势,即在光程差接近相等时,条纹对比度变化剧烈且呈现非周期性，这样零级条纹很容易与其它级条纹相区别。由于该特征非常明显,因此就可以利用它来定位零光程差位置。2垂直扫描白光干涉测量仪的工作原理在利用白光干涉测量表面三维形貌的过程中，对于被测表面上某一点来说，为了定位其零光程差位置，采

3、用垂直扫描的方式改变被测表面的位置，以此来获得该点光强变化的离散数据，然后依据白光干涉的典型特征来判别并提取最佳干涉位置。测量时通过计算机控制工作台进给带动被测工件的进给,这样被测工件表面的不同高度平面就会逐渐进入干涉区，如果在充足的扫描范围内进给，被测工件表面的整个高度范围都可以通过最佳干涉位置。每步的干涉图样由CCD摄像头采集，视频信号通过图像采集卡转换成数字信号并存储于计算机中，利用与被测面对应的各像素点相关的干涉数据，基于白光干涉的典型特征，通过采用某种最佳干涉位置识别算法对干涉图样数据进行分析

4、处理，提取出特征点位置(最佳干涉位置)，进而就很容易得到各像素点的相对高度，这样便实现了对三维形貌的测量。在传统干涉法中，当表面微观高度不连续性超过1/4窄带光源波长时，由于条纹的周期性使得干涉图样不易精确分辨，从而无法进行微观高度超过十几微米的大范围测量。扫描白光干涉测量法能有效克服传统窄带光相移干涉测量中测量范围小的不足，原因在于：（1）零级条纹的特征相对其它级别条纹来说区别比较明显，因此易于辨别和定位；（2）零光程差附近光强呈非周期性，因此它有效地消除了相模糊误差，减少了对测量范围的限制。3细定位

5、的驱动驱动工件，改变光程差的方法主要是利用压电微位移器驱动。压电、电致伸缩微位移器结构紧凑、微位移精度和分辨率高、控制简单、响应快，常用于纳米定位技术领域。WTDS型微位移器由多层陶瓷堆叠而成，在无负载作用下，电压从0变化到200V，位移增加20μm。对本系统的微动工作台驱动位移曲线如图2。若用16位D/A芯片控制加载电压，在20μm范围内，压电微位移器理论分辨率为16μm/32000=0.5nm。图2压电微位移器静态特性曲线4工作台光栅干涉计量系统光栅干涉计量系统的光学原理如图3所示，激光器发出的光入

6、射到反射光栅，经反射光栅一次衍射后形成+1级和-1级两束衍射光，通过置于两侧的直角棱镜将+1级和-1级衍射光反射回光栅并汇聚于光栅上另一点，经过二次衍射后，(+1,+1)级和(-1,-1)级两束衍射光将在垂直于z轴放置的光电探测器上形成干涉条纹。图3光学原理图当图中反射光栅沿x轴方向上下运动时，将引起干涉条纹的相移，如果将光栅固定在工作台上，通过探测条纹的变化即可反映出工作台的位移。56JA干涉显微镜简介6JA干涉显微镜属双光束干涉Linnik类干涉显微镜，其光学系统图如图3所示。分光板T把光线分成两束

7、，这两束光分别由标准镜面P和工件测量面P反射回来，在目镜O的焦123平面上相遇。当两束光的光程相等时，发生干涉，产生干涉条纹，干涉条纹的弯曲程度反映表面微观不平程度。采集干涉条纹多个峰谷高度差a及条纹间距b，可以计算出表面粗糙i度的参数值。标准镜面是由两半不同反射率的膜层组成，转换不同反射率的标准镜面，可测O、O—显微物镜O—目镜O—照相物镜O、O、O—照明聚光镜S、S—反123456712光镜S—可调反光镜P—标准镜面P—工件测量面P—照相底片T—分光板3123T—补偿板F—干涉滤色片Q—视场光栏Q—

8、孔径光栏S—灯源112图36JA干涉显微镜光学系统图量表面反射率为0.3％～100％的工件表面。6WIVS三维表面形貌测量仪的性能分析通过对这两种仪器的结构进行分析，由6JA干涉显微镜改造而成的WIVS三维表面形貌测量仪在测量能力上，有了如下的提高：1）6JA干涉显微镜由于各种误差的影响，仪器的总误差最大达51％，而WIVS三维表面形貌测量仪由于采用可计量的纳米垂直位移扫描及高分辨CCD图像技术等，仪器总误差可小于5％。2）6JA干涉显微镜