便携式光学表面轮廓仪的研究与应用

发布时间：2017-08-30 00:41

  本文关键词：便携式光学表面轮廓仪的研究与应用

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【摘要】：随着科学研究和先进制造技术的发展,微电子、光学、机械行业对超精密加工元件的表面面形精度检测要求越来越高,工业生产在线检测对测量仪器的稳定性、便携性、灵活性和功能性提出了更高的要求。本文采用短相干光显微干涉测量技术和相移技术相结合的方法,将光机系统集成化,研制了便携式光学表面轮廓仪,实现了元件表面微观三维形貌的高精度、快速测量。本文分析了基于短相干光干涉显微镜的相移干涉技术,掌握其工作原理与设计要素,并以此为基础搭建短相干光Mirau型干涉显微系统。将光路系统嵌入机械系统内部,使光路系统、微位移系统和机械三维调整平台这三个分立模块融为一体,实现仪器的集成化,大大缩小了系统结构体积,提高了对气流和振动等环境干扰因素的抑制能力。为了提高仪器的适用性,优化了机械三维调整测量台,实现了正置、倒置两种测量模式,分别用于小口径和大口径元件表面的检测,打破了对被测元件横向尺寸的限制。为了实现均匀照明,同轴照明系统中使用LED光源,经干涉滤光片进行短相干调制,得到了均匀的光强背景。同时研究高精度相位提取算法,对比分析了不同的移相算法及其精度,结合系统特点采用重叠平均移相算法抑制了环境噪声造成的非线性误差。此外使用迭代Gamma估算法校正了CCD非线性误差,提高了仪器的检测精度。为实现被测件的精密移相,基于压电陶瓷移相器设计了微位移系统。最后,为了验证仪器的准确性、高效性和稳定性,使用便携式光学表面轮廓测量蓝宝石、硅晶圆等超光滑元件表面并分析了三维表面粗糙度参数。结果表明,仪器的粗糙度测量精度为0.1nm,重复性误差优于0.01nm,横向分辨率优于1μm。另外,在南京天文光学技术研究所进行试用,解决了天文望远镜大口径镜面的微观轮廓测量的难题。
【关键词】：微观表面形貌 粗糙度 干涉显微镜
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH74
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 1 绪论7-17
• 1.1 研究背景与意义7-8
• 1.2 表面轮廓仪的发展及研究现状8-15
• 1.2.1 触针式表面轮廓仪8-9
• 1.2.2 扫描显微镜9-10
• 1.2.3 光学轮廓仪10-15
• 1.3 本系统的方案确定15
• 1.4 课题来源15-16
• 1.5 本论文研究内容16-17
• 2 光学表面轮廓仪的光机系统研究17-34
• 2.1 干涉成像系统的光路设计17-22
• 2.1.1 干涉显微镜的结构类型18-19
• 2.1.2 光学显微镜的无限远系统19-20
• 2.1.3 Mirau型显微干涉成像的光路设计20-22
• 2.2 光源照明系统22-26
• 2.2.1 照明光源的调制23-25
• 2.2.2 照明系统的光学结构25-26
• 2.3 微位移系统的结构参数26-28
• 2.4 仪器整体机械结构设计28-30
• 2.5 测量不同口径元件的两种工作模式30-33
• 2.5.1 仪器正置测量模式31-32
• 2.5.2 仪器倒置测量模式32-33
• 2.6 本章小结33-34
• 3 光学表面轮廓仪的移相算法与误差抑制算法研究34-49
• 3.1 相移干涉术的基本原理34-43
• 3.1.1 七步移相算法36-37
• 3.1.2 重叠平均移相算法37-40
• 3.1.3 两种移相算法的仿真实验比较40-43
• 3.2 伽马(Gamma)畸变相位误差校正算法43-47
• 3.2.1 迭代Gamma畸变估算法45-46
• 3.2.2 Gamma畸变校正的仿真实验46-47
• 3.3 本章小结47-49
• 4 光学表面轮廓仪的性能指标与应用实例49-65
• 4.1 三维表面形貌评定参数49-50
• 4.2 便携式光学表面轮廓仪的性能介绍50-57
• 4.2.1 整体仪器性能介绍50-51
• 4.2.2 仪器的软件系统设计51-54
• 4.2.3 系统的分辨率54-55
• 4.2.4 系统的测量范围55-56
• 4.2.5 系统的重复性精度测量56-57
• 4.2.6 系统的精度检测57
• 4.3 典型元件的测量实例57-63
• 4.3.1 蓝宝石的超光滑表面粗糙度测量57-58
• 4.3.2 碳化硅标准样块的粗糙度测量58-60
• 4.3.3 石英玻璃平行平板表面粗糙度测量60-61
• 4.3.4 光学反射镜表面粗糙度测量61-62
• 4.3.5 硬盘表面粗糙度测量62-63
• 4.4 相关单位试用63-64
• 4.5 本章小结64-65
• 5 总结与展望65-67
• 5.1 本文的主要工作65-66
• 5.2 展望66-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-72
• 附录72

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本文编号：756346