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华中科技大学 光探课程设计 课题名称：平面粗糙度的测量 专业班级： 光电1206 学生学号：U201214233 学生姓名：王红亚 指导教师：赵茗 平面粗糙度的测量 背景知识 传统的接触式表面形貌检测技术发展较早，技术比较单一，经过长期的发展和演变，已经有了一些初步的产品可以进行三维数据测量。其基本的原理就在于，围绕传统的二维测量方法，在进行水平二维测量的同时，增加一个垂直方向的扫描维度，从而达到三个维度的检测要求。近十几年来，高科技各产业迅猛发展，在半导体、电子封装、平板显示屏、微型电机等方面的检测需求和要求也相应地提高。为了提高效率，各产业已经大量使用AOI检测设备平台取代人工检测，但随着工件制备技术越来越发达，器件尺寸也越来越小，于是具备高精度和快速检测功能就显得尤为重要，这给三维表面形貌测量提出了更高的要求：首先在测量最小尺寸的要求上，由于制造工艺地不断先进，纳米级尺寸的产品应运而生，如LCD液晶离子(spacer)等高科技产品，随之而来的问题就是测量精度也应该至少达到纳米等级，才足够解析形貌特征，确保良率。其次在检测技术应用上，除了传统的瑕疵、缺件、污损等二维信息检测之外，需要更加精确测量的成沟槽深度、长晶高度及表面粗糙度等等三維形貌特征，已经成为了检测的重要应用之一。鉴于以上对三维测量的实际要求，发展更高级别的纳米级三維表面检测与测量系统已经是迫在眉睫。 目前测量表面粗糙度主要有以下几种方法：比较法、触针法、光切法、干涉法。其中干涉法是精度最高的，适合较光滑的平面检测。其主要的优点有： 1. 采用非接触式测量，其技术特点是不破坏被测表面的三维形貌特征。 2. 克服了点扫描的缺点，进行面测量，从而极大提高了检测速度，增加了三维测量的应用范围，特别是进行在线测量。 3. 测量精度大大提升。水平方向上扫描精度可达厘米级别，甚至可以到微米级别范围，而垂直轴上的分辨精度则可以达到纳米级别，这已经能够满足大部分产品测量的精度要求。 本设计采用相移干涉技术，精度达纳米级别。 二、系统原理及结构设计 系统原理 将相干光束扩束成平面波或其他规则波面照射到被测物体时，干涉仪的相干场上会形成由干涉条纹组成的二位干涉图。若参考光是理想的平面波且相位的空间分布不变，则通过二维干涉图分析，可计算出信号光的相位空间分布，从而反映出被测物表面的微细面性分布。 为了自动分析干涉图，需要将参考光进行调制。传统的是将参考光的相位人为地调制成随时间变化，进而从光强中分析出相位。但这种方法受限于需要压电陶瓷在内的机械装置，相位精度不够高。如果在参考光路中插入频移器件，构成双频平面外差干涉测量系统，干涉平面处的输出光强是以信号光和参考光的光频差为变化频率，随时间正弦规律变化，能达到很高的相位精度（λ/100-λ/1000）。 为使讨论简单，这里只分析一维情况。平面干涉上任意一点x处的光强可表示为 在任意T时间内，各点的光强将随时间正弦变化，将光强表达式展开成t的函数，得到 它可以表示成有直流分量和基波分量的傅里叶级数形式 令在2周期内每次改变1/n周期，也即每隔时间内取样一次，共取样p个周期，即 则应用三角函数的正交关系，的各系数表示为 由此可得各点处的相位差值，即 利用上式对每个测量点分别测得np个数据，可得到被测面形的相位分布图。此外，上式包含着相位的符号，根据相位的连续性可去除2相位的不确定性，因而可以判断面形的凸凹。 相移干涉显微镜的选取 干涉显微测量方法根据干涉光路的结构的不同可分为 Michelson 型、Mirau 型和Linnik 型干涉显微镜，其结构如图 1 所示。干涉显微法的基本原理是：来自光源的光经过分光镜后分成两束，一束被参考面反射，另一束被待测件表面反射，两束光最终被分光镜反射汇聚并发生干涉，显微镜将待测件表面的形貌特征转化为干涉条纹信号，通过测量干涉条纹的变化来测量表面三维形貌。其中，Linnik 型干涉显微如图 2(a)所示，参考光路与测量光路不共路，且需要两个性能相同、精度较高的显微物镜，系统也可能因此引入不必要的光程差，而降低精度；Michelson 型干涉显微镜的参考光路与测量光路为分光路，其结构如图 1-2(b)所示，但由于分光棱镜置于显微物镜与待测件之间，因此需要使用工作距离较长的显微物镜，影响其水平测量分辨率。而 Mirau 干涉显微镜的测量光路与参考光路是完全共用的，因而它的抗振动干扰能力非常强。 但由于本设计参考光要进行频移，所以只能牺牲水平测量分辨率，采用Michelson 型干涉显微镜。 3.系统结构图 图 2 所示为基于外差干涉和相移技术的表面三维形貌测量系统的结构图。该测量系统采用分光路干涉显