基于白光干涉的微观形貌检测系统设计研究

发布时间：2020-10-15 22:47

　　 随着超精密加工技术日益成熟,由于其具有微纳米尺度、难以直接接触、微观表面效应、定位误差影响大等特点,使得常规检测手段己不能满足要求。而扫描白光干涉检测技术具有分辨率高、速度快、大范围且非接触等特点,成为超精密检测的研究热点。本文根据技术指标和要求,基于扫描白光干涉原理,研制了一套微观形貌检测系统。首先,分析了扫描白光干涉检测原理、表面粗糙度测量及三维形貌恢复算法。其次,对测试系统进行机械结构设计。针对金相显微镜改装式白光干涉仪的可测范围小缺点,合理设计机械系统的空间布局并实现自动化。研制了一种结构紧凑,可靠性高、体积小、能够连续切换滤波片的调节装置。研制了一种柔性结构微位移器,实现了垂直扫描功能。研制了一种操作简便的干涉条纹微调机构,实现干涉条纹的旋转、水平移动及粗细调节功能。利用Workbench对关键零部件进行了有限元分析,验证了所设计机械结构的合理性和可靠性。然后,设计开发了测试软件,实现了电移台的运动控制、微位移器器的扫描控制、干涉图像的采集控制、信号数据的处理计算以及最终三维形貌信息的展示。最后,对测试系统性能进行分析和实验验证。采用单刻线板和标准粗糙度样块分别进行重复性精度测试,误差均小于5%,对典型光电器件进行三维形貌恢复,主要技术指标满足预期要求。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH744.3
【部分图文】：

测量效率很低，很难做到大面积测量，难以用于微电路、ＭＥＭＳ器件的表面形貌恢复。??扫描显微镜测量法包括扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜［１４］，如图??１．?３至图１．?５所示。扫描电子显微镜（ＳＥＭ?Ｓｃａｎｎｉｎｇ?Ｅｌｅｃｔｒｏｎ?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）利用聚焦得非常??细的电子束作为电子探针［１５］。通过探测被测表面经电子束轰击所激发的二次电子的能量，??其强度与表面形貌对应，即可获得微观表面信息。扫描隧道显微镜（ＳＴＭ?Ｓｃａｎｎｉｎｇ??Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）的基本原理是基于量子隧道效应［１６］。在探针沿被测表面移动时，??检测探针与表面的间隙中出现隧道电流大小，驱动和控制探针上下移动使隧道电流保持??不变，其上下移动量便反映了被测表面的峰谷的高低。原子力显微镜（ＡＦＭＡｔｏｍｉｃ?Ｆｏｒｃｅ??Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）的基本原理是基于探针与样品之间的原子相互作用力［１７］。利用微悬臂感受和??放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力，从而达到检测的目的，便可测出被??测表面的形貌。??产?＇知．．??／ｌｉ．?????■層?！！??图１．３扫描电子显微镜?图１．４扫描隧道显微镜?图１．５原子力显微镜??针对机械接触式测量法和扫描显微镜测量法的量程小、被测表面破坏、测量效率低、??实现在线检测困难等缺点，为满足微电路、微光学器件、ＭＥＭＳ器件等各种高精密加工表??面器件的生产和检测。近年来

共焦显微镜的横向分辨率是同焦孔比的普通显微镜的１．４倍，可达０．１８ｐｍ，同时具有??很强的纵向深度的分辨能力，并能对观测样品进行分层扫描和三维图像的重建。激光共??焦扫描显微（ＣＬＳＭ?Ｃｏｎｆｏｃａｌ?Ｌａｓｅｒ?Ｓｃａｎ－ｎｉｎｇ?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）原理如图１．?６所不，利用激光点??光源产生物点，照明样品同时扫描表面，并成像在光电倍增管上。当被测表面和探测表??面满足共轭条件时，探测面上的成像点直径最小、能量最大；物点偏离时，探测面上的??成像点直径变大、能量变小。通过调节物点与被测面的位置，使得激光能量输出最高，??扫描样品，记录不同位置的信息可重构出完整的表面。图１．７所示为奥林巴斯ＬＥＸＴ??０ＬＳ４１００激光共焦显微镜，其采用４０５ｎｍ的短波长激光，平面分辨率达到了?０．?１２ｐｍ［１９］。??图１．８所示为蔡司ＬＳＭ８００激光共聚焦显微镜，采用转盘扫描，最快的高精度模式扫描??速度超过５０幅／秒（２０４８＊２０４８分辨率）［２Ｇ］。??光电倍增管卜十算机＿??探测光阑Ｙ??＼￣?物镜?被测表面??光源?＿＿??照明光阑?分

?基于白光千涉的微观形貌检测系统设计研究??离焦检测法通过测量显微物镜与被测表面的离焦量反映被测表面的形貌。图１．９所??示，利用傅科棱镜和四象限光电探测器检测离焦信号，使用音圈电机对镜头调焦，检测??其调焦量即对应被测表面高度变化。??又光源??傅科棱镜?ｔ??物镜位移?／么??＼＾ｙＣ?四象限光??检测?＾?电探测器??Ｉ?￣［个?Ｄ??音圈电机调焦?￣??图１．９傅科刀口法检测离焦信号的光学轮廓仪原理图??微分干涉法是一种横向对比的自相干技术，它将同一被测面发出的具有一定相位分??布的光束沿横向分开一段微小的距离，或使其中一束光束沿径向缩小，从而构建出两束??相干光，它们的干涉结果可反映相邻位置的表面高度变化［２１］。??外差干涉法是通过参考信号和测量信号沿着相同的光路入射到物体的表面上，机械??位移误差、环境振动和空气扰动等误差因素等对两束光信号的影响相同，在恢复被测面??形貌时不会引入额外误差，从而提高了仪器的精度和抗干扰能力Ｐ２］。??显微干涉测量法是以现代光学显微镜作为载体
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 陈映洲;季颖;谢铭;徐媛媛;韩豪;卜敏;王亚伟;;免显微物镜的共光路相位显微成像方法[J];激光与光电子学进展;2015年12期

2 张林;吴振强;;基于OpenCV的图像特征智能识别系统设计[J];电子设计工程;2015年20期

3 李华丽;;蔡司LSM 7DUO激光扫描共聚焦显微镜的配置[J];科技创新与应用;2015年26期

4 岳晓斌;刘波;雷大江;徐敏;;基于垂直扫描白光干涉法的金刚石刀具表面粗糙度测量[J];制造技术与机床;2014年06期

5 蒋庭佳;姜曼;阮斌;陶振强;贾南南;郭汉明;;像散离焦检测系统中光斑能量中心偏移对测量精度的影响[J];光学技术;2013年06期

6 韩文梅;康天合;;基于白光干涉泥岩表面形貌试验研究[J];太原理工大学学报;2013年04期

7 张也晗;崔彤;张扬;王俊秋;;表面粗糙度三维测量和评定的研究[J];计量与测试技术;2012年11期

8 黄美发;程雄;刘惠芬;陈磊磊;;表面形貌评定方法对比分析[J];机械设计;2012年05期

9 白秀琴;刘雪梅;袁成清;周新聪;;贝壳表面形貌测量技术研究[J];润滑与密封;2011年06期

10 刘晨;陈磊;王军;韩志刚;师丽丽;;利用白光扫描干涉测量表面微观形貌[J];光电工程;2011年01期

相关博士学位论文 前3条

1 刘泊;基于白光相移干涉法的表面三维微观轮廓测量技术研究[D];哈尔滨理工大学;2013年

2 李绍辉;超精密加工高反射曲面光学非接触三维形貌测量[D];天津大学;2012年

3 马龙;白光扫描干涉测量方法与系统的研究[D];天津大学;2011年

相关硕士学位论文 前9条

1 李智;大型光学隔振平台的设计与分析[D];华中科技大学;2016年

2 李峰;基于白光干涉彩色图像的微结构表面形貌测量方法研究[D];天津大学;2014年

3 申路;基于白光干涉原理的MEMS三维表面形貌测量技术研究[D];华南理工大学;2012年

4 吴志顺;白光垂直扫描干涉仪控制系统设计及优化[D];华侨大学;2012年

5 李娟;白光显微干涉表面形貌三维测量系统的研究[D];华中科技大学;2012年

6 杨波;基于白光干涉的触针式表面粗糙度测量技术的研究[D];华中科技大学;2012年

7 张建;基于图像法的工件表面粗糙度检测系统研究[D];南京航空航天大学;2011年

8 程伟林;偏振相移显微干涉超精表面形貌测量研究[D];华中科技大学;2011年

9 倪媛;表面三维形貌测量方法研究[D];山东大学;2009年

本文编号：2842352