白光干涉原子力探针扫描轮廓仪多模式测量技术研究

发布时间：2020-05-15 08:14

【摘要】：表面形貌是高端制造产品和科学研究样件的重要几何特征,表面形貌的多样化发展,需要适应其质量、制造工艺和功能分析的高端表面形貌测量仪器,对表面形貌测量技术的横、纵向分辨率及测量范围都提出了更高的要求。本文围绕白光干涉原子力探针扫描轮廓仪多模式测量技术展开研究,以满足工业测量领域微纳表面形貌与结构多样性测量需求。主要研究内容如下:针对原子力探针微悬臂表面形成的白光干涉条纹畸变问题,提出了稳健的零级条纹定位算法。将离散小波变换与软阈值滤波、梯度压缩相结合,对白光干涉信号进行预处理来消除畸变,增强零级条纹定位算法的稳健性;利用Hilbert变换对预处理后的干涉信号进行相位解析来实现零级条纹位置的高精度定位。研究了基于激光干涉计量的大范围垂直扫描跟踪测量模式,以满足大范围高分辨率表面形貌与结构测量需求。利用白光干涉零级条纹定位实现原子力探针对于被测表面的垂直扫描跟踪,结合激光干涉系统对大范围跟踪位移的实时计量,实现大范围高分辨率表面形貌测量。研究了基于单色光干涉的原子力探针扫描可溯源测量方法,以满足超精密表面形貌可溯源测量需求。对原子力探针微悬臂表面单色光干涉信号进行相位解析,并直接获取测量过程中探针针尖处的相位变化,从而恢复得到被测表面形貌,测量结果可直接溯源到光波波长,实现超精密表面形貌可溯源测量。将所研究的多模式测量技术应用于白光干涉原子力探针扫描轮廓仪,并开展测试与应用实验,验证了白光干涉原子力探针扫描轮廓仪适用于工业测量领域微纳表面形貌和结构多样性测量需求。
【图文】：

白光干涉条纹,微悬臂,原子力,探针

以有效地消除畸变并准确定位零级条纹位置，提高测量的准确性和稳定性。2.1 定位算法比较由物理光学测量原理可知，光学系统中的测量光对准原子力探针微悬臂表面，，与参考光满足相干条件发生光学干涉[25]，原子力探针微悬臂上形成的白光干涉条纹如图 2-1（左）所示。原子力探针扫描测量过程中，探针微悬臂会由于被测表面高度变化而发生微小形变，原子力探针微悬臂表面形成的白光干涉条纹会由于光程差的改变而发生移动，如图 2-1（右）所示。在原子力探针扫描测量过程中，利用白光干涉条纹移动量来检测探针微悬臂的变形量，从而恢复得到被测样件的表面形貌。而在白光干涉测量中，白光干涉条纹由可见光区各种单色光干涉条纹按一定比例组合而成，其在零光程差处产生的零级干涉条纹光强最大，可用来进行绝对测量。所以白光干涉条纹的移动量可通过精确定位零级条纹的位置变化得到，所以说白光干涉零级条纹精确定位与否直接影响测量结果的准确性。

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华中科技大学硕士学位论文终保持在 CCD 视场内。跟踪测量模式工作原理如图 3-1 所示，利用垂直方瓷实时反馈控制原子力探针在垂直方向发生移动，使得探针微悬臂表面白纹的位置稳定在一个区间范围内。完成探针自动标定后，记录原子力探针，当检测到白光干涉条纹移动量超过设置的阈值，驱动垂直压电陶瓷反向的距离使得探针微悬臂的变形量维持在恒定范围内。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74

【参考文献】