摘要：研制出一种超精加工表面粗糙度的激光测量仪，采用光外差测量原理和共光路干涉仪结构，具有很强的抗外界振动干扰能力.仪器结构简单，测量灵敏度高，纵向分辨率达0.4nm，横向分辨率达1.72um.
关键词：表面粗糙度光外差测量
随着科学技术的发展，对超精加工表面的需求不断增长，如X射线元件、同步辐射器反射镜、大规模集成电路元件基片、光盘等。为保证加工质量，必须对其表面粗糙度进行精确测量。目前通用的触针式轮廓仪虽然具有很高的测量灵敏度和分辨率，但极易划伤被测表面。用光学方法测量表面粗糙度具有非接触、快速和高精度的优点，正受到人们的广泛重视。本文研制的超精加工表面粗糙度的激光测量仪，采用声光调制外差测量原理、共光路干涉仪结构和鉴相信号处理方法，具有很高，的测量灵敏度和很强的抗振动干扰能力。仪器结构简单，性能可靠，纵向分辨率0.4nm，横向分辨率1.72um，测量不确定度为4.Inm。
测量原理
表面粗糙度激光测量仪的光学系统如图1所示。从He一Ne激光器发出的线偏振光(频率f。)被分光镜BS 1，分成两束，分别进入声光调制器AOM 1(调制频率f 1=40MHz)和AOM 2 (调制频率f 2=41MHz)。AOM 1的一级衍射光(频率f。十f 1)作为参考光，通过反射镜M 1和扩束准直镜L 1、L 2，由透镜L 5会聚到物镜L 6的后焦点上，经L。变成平行光人射到被测表面上.AOM 2的一级衍射光(频率f0+f2)作为测量光，通过反射镜MZ和扩束准直镜L 3、L 4，由物镜L 6在被测表面上会聚成光点。
测量光和参考光从被测表面反射回来，经物镜
波片和分光镜BS 2，由偏振分光镜PBS反射进入光电探测器PD 1，形成一个光拍信号。光拍的强度为:
其中a为激光振幅，为传输路径不同所引入的测量光和参考光之间的相位差，为被测表面轮廓高低所造成的测量光和参考光之间的相位差。
测量光和参考光各自经分光镜BS 2的透射光和反射光，进入光电探测器PD 2，形成另一个光拍信号，其强度为:
两个光拍信号的相位差为
设被测表面上测量光点对应的表面轮廓高度与参考光斑对应的表面轮廓平均高度之间的差值为h，则有为光波波长。
这样，通过测量PD 1和PD 2输出信号的相位差，就可得到被测表面的微观几何形状。
本文所设计的光学系统具有如下特点:
1.测量光和参考光共路入射到被测表面上，可以消除由外界振动和导轨运动误差所造成的被测表面不稳定性对测量精度的影响。
2.两个光电探测器的信号比相测量具有共模抑制作用，可以消除由温度漂移和机械结构不稳定性所引起的干涉仪非共路光束的光程差变化对测量精度的影响。
3.外差干涉信号由两个声光调制器产生，可以消除激光频率漂移对测量精度的影响。
仪器结构
图2是研制的表面粗糙度激光测量仪的结构简图。
光电探测器输出的拍频信号经过LC电路放大、滤波和射极跟随器电流放大后，输入到自动增益电路中，保持信号幅值稳定，并由高速电压比较器整形，变为方波信号。将两路拍频信号输入到鉴相器中，其输出电压正比于两输入信号的相位差。鉴相器的电压跟随输出信号经过滤波后，进入A/D转换器。通过运行计算机数据采集和数据处理程序，就可以得到被测表面的各项表面粗糙度参数。
为了提高仪器的测量分辨率，测量光束在被测表面上的光点直径应越小越好。本文中的聚焦物镜选用光盘读写头中的非球面物镜，其特点是数值孔径大、工作距大，且体积小。另外，参考光束在被测表面上的光斑直径应大于表面粗糙度标准中对取样长度所规定的尺寸，这可由更换不同焦距的会聚镜L 5来实现。
精度分析
1.纵向分辨率
表面粗糙度激光测量仪的纵向分辨率主要由鉴相器的角分辨率和A/D转换器的电压分辨率来决定。
鉴相器的最小分辨角为0.36。，相当于表面轮廓高度△h 1=0.32nm。
鉴相器3600相位差产生3.91V的电压输出。A/D转换器的最大输入电压为士10V，有效位数为12位，则单位数字相当于表面轮廓高度
2.横向分辨率
表面粗糙度激光测量仪的横向分辨率主要由被测表面上测量光点的直径大小来决定。本文物镜的数值孔径NA=0.45，所以光点的最小直径为
因此，仪器的横向分辨率为.1.72um
3.测量不确定度
在模拟实际使用环境下测量了仪器的综合噪声，测量时间为一个小时。综合噪声值相当于R a=4.Inm。因此，仪器的测量不确定度为4.Inm。
测量结果
用本文研制的激光测量仪对四种原国家标准表面粗糙度样块进行了比对测量实验。表1是表面粗糙度样块参数的测量值与标准值对照表。从测量结果可以看出，表面粗糙度样块参数的测量值与标准值完全相符。
