专利名称：超精表面形貌测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种新型的超精表面形貌测量仪，属长度计量技术领域。
表面形貌的测量对研究表面几何特性与使用性能的关系，以及提高加工表面的质量和产品的性能有着十分重要的意义。用光学方法测量表面形貌，由于可实现无损测量和评定，并且具有精度高速度快等优点，因此受到人们的广泛重视和普遍应用。目前应用最多的是Mirau分光路干涉显微镜。
Mirau干涉显微镜的光路原理如图1所示，从光源发出的光束经显微物镜1后透过参考板2，被分光板3上的半透半反膜分成两路。一路透过分光板后由被测面4反射，经分光板和参考板后回到显微镜视场中，另一路被分光板反射到镀在参考板表面的小镜面5上，从小镜面上反射回的光束再次被分光板反射，然后穿过参考板到达显微镜视场，与第一路光束会合而发生干涉。利用干涉显微镜测量表面形貌，通常是通过测量干涉条纹的变形来间接确定表面粗糙度参数，这种分析方法的测量精度很低，一般在λ～λ／20之间(λ为光波波长)。
Koliopoulos对Miran干涉显微镜进行了改进，将显微镜中的参考板固定在一块筒状压电陶瓷5上(如图2)，图中4是被测表面，5是压电陶瓷，6是目镜，7是CCD面阵探测器，8是光源，9是物镜，通过计算机控制压电陶瓷驱动参考板沿光轴方向匀速移动，使参考光与测量光之间的相位差随时间作线性变化，因此干涉场上各点的干涉光强就在亮与暗之间作正弦变化，由于被测表面上各点的微观高度差异，使干涉场上相应点的干涉相位也有所不同。利用CCD面阵探测干涉场上各点的光强，用计算机将各点的光强测量数据拟合为正弦函数，通过比较各点正弦函数间的相位关系，就可获得被测表面形貌的高度分布数据。
改进后的干涉显微镜是目前使用最广泛的一种用光学方法测量表面形貌的仪器，但是它还有以下不足之处(1)对机械振动、大气扰动及温度变化的影响十分敏感，需配备气浮精密隔振平台，严格限定测量环境的工作条件。(2)光学系统复杂，成本高，(3)调整困难。
本实用新型的目的是设计一种快速精确、抗干扰能力很强的表面形貌测量仪。
本实用新型的内容是表面形貌测量仪，由工作台、光源、反光棱镜、测量棱镜、显微镜、光探测器、计算机和图象监视器组成。被测样品置于工作台上，测量棱镜的底面是测量基准面，与被测样品的表面相接触。光源发出的入射光通过所述的反光棱镜和测量棱镜后，进入显微镜，光探测器探测到显微镜中的光强信号，并依次将信号传递到计算机和图像监视器，经过计算机对所得信号的处理，就可以算出被测样品表面的形貌分布数据。
图1和图2是已有技术测试原理示意图。
图3是本实用新型的结构示意图。
图4是hm标定方法示意图
以下结合附图，详细介绍本实用新型的工作原理和测试过程。图3中，10是工作台，11是被测表面，12是测量基准面，13是测量棱镜，14是反光棱镜，15是光源，16是显微镜，17是光探测器，18是计算机，19是图象监视器。
本实用新型的工作原理是在全反射条件下，光波不是绝对地在界面上被全部反射回第一介质。当被测表面与基准面发生接触或距离非常小时，被测表面将吸收一部分光波的能量，使反射光变弱。对于视场中任一位置的点或微小区域，两表面间距越小，则反射光强度越弱，即反射光强与表面间距有确定的单调的函数关系。在仪器的结构确定后，反射光强度与表面间距的函数关系可以用下面的简化式子表示
h=(R-R0)h2m1-R0---(1)]]>其中R为反射率，即反射光强与入射光强之比h为表面间距Ro为表面间距为零时反射光强与入射光强之比hm为一常数，通过标定确定hm的标定方法如图4所示。图中20是棱镜，21是量规。经过适当装卡，使量规与棱镜表面之间形成一个很小的楔角α，用光干涉方法确定楔角。将仪器调整到正常测量状态，从接触点(表面间距为零)开始沿楔角方向搜索，当反射率增大到1时，所对应的表面间距即为hm。使用本测量仪测量表面形貌的步骤如下(1)打开电源，调整工作台使被测表面远离测量基准面，这时光全反射没有遭到破坏，光探测器所探测的光强度与入射光相同，将探测结果输入计算机并存储。
(2)调节工作台，使被测表面靠上测量基准面，探测反射光强度并将数据存入计算机。
(3)计算机搜索反射光强数据，找出最小反射光强度值，将该值与入射光强度相比，则得到标定常数Ro。
(4)hm与光波波长，入射角，棱镜折射率等因素有关，而与被测表面无关，仪器调整完毕后，hm即确定，通过标定即得到hm的具体数值。
(5)计算机将步骤(2)的结果与(1)的结果相比即得到视场内各点的反射率R，再根据公式①即算出被测表面的形貌分布数据。
本测量仪的垂直分辨率优于1纳米，其最大特点是抗干扰能力很强，同时具有测量迅速，操作简便，成本低和可靠性好等优点。
权利要求1.一种超精表面形貌测量仪，其特征在于所述的测量仪由工作台、光源、反光棱镜、测量棱镜、显微镜、光控测器、计算机和图象监测器组成；被测样品置于所述的工作台上；所述的测量棱镜的底面是测量基准面，与被测样品的表面相接触；所述的光源发出的入射光通过所述的反光棱镜和测量棱镜后，进入所述的显微镜，所述的光探测器探测到显微镜中的光强信号，并依次将信号传递到计算机和图象监视器。
专利摘要本实用新型涉及一种新型的超精表面形貌测量仪，属长度计量技术领域。本测量仪由工作台、光源、反光棱镜、测量棱镜、显微镜、光探测器、计算机和图象监测器组成。被测样品置于工作台上，并与测量棱镜的底面相接触。光源发出的入射光通过反光棱镜和测量棱镜后，进入显微镜，光探测器将显微镜的光强信号传递到计算机和图象监视器，即可算出被测样品表面的形貌分布。本仪器具有快速精确，抗干扰能力强等优点。
文档编号G01B11/24GK2135767SQ92221100
公开日1993年6月9日 申请日期1992年9月29日 优先权日1992年9月29日
发明者冼亮, 郭炎, 陈大融 申请人:清华大学