1 引 言
共焦显微技术的思想由M. Minsky在1961年首次提出[1],由于引入了具有空间滤波功能的共焦针孔,因而不但使光学系统拥有独特的轴向响应特性,而且使其具有抗杂散光能力强和光强对比度高等优点[1]。随后许多学者,如T. Wilson, C. J. R.Sheppard,M. Gu和H. J. TiziaNI等[2~5]对共焦方法作了进一步研究。其中,Lee[6~10]等学者利用共焦显微系统的轴向响应曲线斜坡区段的强度与高度的线性关系发展了一种三维表面形貌检测法,实现了高精度的非接触测量。但是,这些探测技术都是基于普通显微物镜的,其系统前端测头庞大,不利于微型尺寸的探测。
本文利用He-Ne激光器相干性好、准直性好、光强稳定等特点,基于共焦显微技术,结合自聚焦透镜体积小的特点,在理论分析的基础上,提出新型反射式自聚焦共焦式微小尺寸非接触式三维检测系统。该系统可以对直径大于5 mm以内深孔、盲孔、球形腔体等狭小空间内尺度和微小非连续表面轮廓的非接触三维形貌测量提供一种技术途径。
2 理论分析
自聚焦共焦探测光路与普通共焦显微光路的不同之处在于,前端探测部分用自聚焦透镜代替了显微物镜,充分地利用了自聚焦透镜体积小的优点和共焦显微技术的高分辨力和绝对位置跟踪特性。探测光路如图1所示,其中,光源、物点和点探测器三点处于彼此对应的共轭位置,当物体位于焦平面时,反射光被精确地聚焦在点探测器上,焦点以外的光将全被针孔屏蔽,此时探测器接收到的光能量最大;当物体偏离焦平面时,反射光被聚焦于点探测器的前面或后面的某个位置上,此时探测器仅仅能接受到一小部分光能量,这样就可以通过探测光强信号的强弱变化来获得轴向位移信息。
S(x0,y0)=δ(x0)δ(y0)为点光源的振幅分布函数。对于自聚焦透镜的点扩散函数h为[10~14]
z为自聚焦透镜厚度,P(r)为自聚焦透镜的光瞳函数,n0为自聚焦透镜中心折射率。根据菲涅耳衍射理论,焦平面附近上的幅值为
由式(5),(6)可见,自聚焦共焦扫描显微成像在光强到达半极值宽度时对应的光学轴向坐标u(或规格化轴向坐标)为4·015,而普通扫描显微成像在光强到达半极值宽度时对应的光学轴向坐标u为5·570,也就是说自聚焦共焦扫描显微成像的纵向分辨力也是普通扫描显微成像的1·39倍。它们的深度分辨特性比较如图2所示。
3 实验系统和结果
对精密微小尺寸三维轮廓测量有五个要求:一是高的轴向分辨力;二是对较大倾斜表面的瞄准能力;三是对突跳位置的绝对跟踪能力,即具有对间断轮廓和尺寸表面的跟踪瞄准能力;四是高精度的位移传感器,依此获得坐标值;五是测头微小型化。结合上述基本要求,进行了初步实验。实验装置图如
图3所示。选用He-Ne激光器作为光源,波长632·8nm,输出功率7 mW,功率稳定性≤2·5%/h,光束直径0·7 mm,光束发散角≤1 mrad,从而保证了探测信号的稳定性和较高强度;选用线性范围为±15μm的压电陶瓷(PZT)为轴向驱动元件,并以一定频率驱动它作扫描振动,每个驱动脉冲可以获得1~2nm的轴向进给。量块和角规块作为被测物体,位移信号通过电容传感器监测,电容微位移传感器的分辨力为1 nm,校正后的线性范围为±50μm。
自聚焦透镜的数值孔径将决定系统的分辨率;同时其外形尺寸将对微小内轮廓曲面的测量起到直接影响。实验中选择数值孔径0·42,通光孔径1·0mm的自聚焦透镜,其棒长与工作距离及工作有效长度(工作距离+棒长)的关系分别如图4曲线1,2所示。由图可见,厚度为1·3 mm时共轭距达到最小,再考虑使用要求,选择厚度为1 mm的透镜,从而保证该测头可对5 mm以下的内曲面轮廓和尺寸进行探测,工作距离为1·2 mm。
图5分别给出了被测物为量块(a),8°角度块(b)和20°角度块(c)的光聚焦探测信号的实验曲线。由实验曲线可知,三条曲线在聚焦检测信号半高宽都可达8μm,分辨力可达10 nm;三条曲线中的旁瓣主要是由于自聚焦透镜的像差及调整装配误差引起;比较三条特性曲线可见,倾角对系统的分辨力影响很小,系统具有20°倾斜面范围内的瞄准能力。比较图2和图5的曲线,表明实验得到的光聚焦信号曲线与理论分析得到的特性曲线基本一致,说明系统具有较高的轴向分辨力和较好的位置绝对跟踪能力。上述实验表明,结合电容微位移传感器和压电陶瓷,系统可以在±10μm位移范围和20°倾角范围内,实现分辨力达10 nm的间断轮廓和尺寸表面的跟踪瞄准,且前端测头直径仅1 mm,结合高精度电容位移传感器和压电陶瓷,就可获得微小内轮廓的坐标。同时,也可直接利用响应曲线斜坡区段的强度与高度的ab线性段进行三维表面轮廓检测。图6为对一标称高度为3μm的台阶的测量结果,可反映出系统对间断轮廓的瞄准测量能力。
4 结 论
综上所述,本文提出的自聚焦共焦式三维轮廓测量系统充分利用了共焦显微镜所特有的轴向响应特性和自聚焦透镜体积小的特点,使其不仅拥有了微型化非接触测量的优点,而且与高精度位移传感器结合后,又使其兼备了高分辨力、大测量范围的特点。具体结论如下:
1)测量分辨力由光聚焦探测头和位移传感器共同给出,位移传感器的分辨力为1 nm,光聚焦探测头的瞄准分辨力可达10 nm;
2)该系统同时具有对位置的绝对跟踪特性,这一重要特性使它具有了对间断轮廓和尺寸位置的测量能力;
3)系统具有对小于20°倾斜面进行瞄准的能力,此时测量分辨力无明显变化;
4)结合高精度位移传感器可以实现高精度、大范围和非接触测量;
5)前端测头直径仅1 mm,使它可用于微小内轮廓和尺寸的测量。
致谢 感谢中国科学院西安光学精密机械研究所姚胜利高级工程师,高应俊研究员,高凤老师,严国安老师,宋辉老师等在本课题研究中提供的帮助。
参考文献
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作者简介:谭久彬(1955—),男,哈尔滨工业大学自动化测试与控制系教授,博士生导师。主要研究方向为超精密与纳米测量技术,超精密光电技术与仪器工程。E-mail:tanjblab@hope.hit.edu.cn
