基于雙縱模同軸差動原理用于超精密加工在線檢測的輪廓測量技術(shù)研究.pdf

1、本論文以國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目“高分辨率激光輪廓儀”以及軍工預(yù)研項(xiàng)目“KDP晶體、非球面透鏡等超精密加工表面亞納米級微觀形貌在位檢測”中提出的要求為研究對象，針對一般納米級分辨率測量儀器的不足，研究了用于在線測量的納米級分辨率的高速激光輪廓儀。主要完成了以下工作： （1）針對目前納米級輪廓儀普遍存在的抗干擾能力弱，數(shù)據(jù)采集速度慢，對非平面被測面難以測量，不適合于在線檢測等缺點(diǎn)，根據(jù)研究項(xiàng)目提出的要求，以“周氏”同軸式輪廓儀為原形，對

2、激光穩(wěn)頻裝置、光學(xué)結(jié)構(gòu)、信號采集以及數(shù)據(jù)處理等方面加以改進(jìn)和重新設(shè)計，形成了亞納米級分辨率的高速在線輪廓儀。該系統(tǒng)采用微機(jī)控制數(shù)據(jù)采集與處理，實(shí)時顯示測量結(jié)果，并對表面粗糙度各常用參數(shù)進(jìn)行計算，然后繪出被測表面的輪廓圖形。它能夠解決要求無損傷、無污染的進(jìn)行超精細(xì)加工表面測量問題，且其操作直觀簡便，測量精度高，重復(fù)性好。由于該系統(tǒng)具有杰出的抗振動干擾能力和低噪聲性能，所以不需要特殊的測量環(huán)境，能夠滿足在線測量的需要，具有良好的通用性和性價

3、比。 （2）對輪廓儀光學(xué)測量部分進(jìn)行了深入分析，得出了同軸式輪廓儀微觀高度與測量相位差的關(guān)系。對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，主要包括：光束準(zhǔn)直與濾波系統(tǒng)、參考光光路系統(tǒng)、測量光光路系統(tǒng)等。其原理是基于差動干涉原理，且其測量臂和參考臂同軸，這樣就使得在垂直方向上的微小位移不會引起光程差，使由于測量儀器的振動或空氣擾動帶來的問題都不會直接影響測量結(jié)果，同時利用雙縱模激光兩個模偏振方向正交的特性，設(shè)計了雙折射晶體分光光路，使反射回光不會影響到

4、光源而產(chǎn)生噪聲。設(shè)計的光路中雖有不同軸的部分，但都同時安排在晶體中通過，使其不易受外界條件變化的干擾。同時，還分析了參考光斑與測量光斑的大小對測量結(jié)果的影響，表面傾斜對測量光束的影響，表面傾斜對參考光束的影響，被測表面為曲面時對參考光束的影響等光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮的最主要的幾個因素，最后設(shè)計得出了完整的光學(xué)系統(tǒng)。 （3）對影響輪廓儀激光光源頻率穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了分析，并介紹了常見的穩(wěn)頻方法及產(chǎn)生雙頻的方法，同時對各種穩(wěn)頻方法的

5、優(yōu)劣進(jìn)行了分析。針對在線測量需要有強(qiáng)抗干擾能力以及高速測量的需要，采用全新的雙縱模電磁感應(yīng)渦流加熱穩(wěn)頻方法，使穩(wěn)頻精度提高，抗干擾能力加強(qiáng)。其原理是利用He-Ne激光管采用金屬管頸的特點(diǎn)，通過電磁感應(yīng)加熱方式，在環(huán)繞在激光管兩端或一端的激勵線圈中通過高頻電流，使線圈周圍產(chǎn)生交變磁場。處于磁場中的激光器兩端金屬管頸產(chǎn)生渦流而發(fā)熱，熱脹冷縮，使激光管腔長改變，達(dá)到穩(wěn)頻目的。與采用通過控制激光管放電電流大小進(jìn)行穩(wěn)頻的方法相比，由于本方法改變的

6、諧振腔部分（激光管管頸）不被放電管外的玻璃管包圍，所以散熱條件好，熱變形不受約束，具有響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，頻率穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。論文中首先對采用感應(yīng)渦流加熱穩(wěn)頻的可行性進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了進(jìn)行穩(wěn)頻所需要的加熱功率，然后設(shè)計了感應(yīng)加熱線圈結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了相應(yīng)的測量與控制電路，該電路具有結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)處理速度快，控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。同時，對控制方法作了分析，提出了控制算法的結(jié)構(gòu)框圖，并對控制參數(shù)作了具體分析計算。通過實(shí)際測量，采用此方法使激光

7、器輸出激光頻率穩(wěn)定度可達(dá)10<'-9>，雙頻激光頻差大于500MHz，具有很高的抗干擾能力，滿足了在線檢測輪廓儀要求雙縱模激光光源頻差大、光源頻率穩(wěn)定度好、抗干擾能力強(qiáng)的要求。 （4）采用新的相位檢測方法提高相位檢測的精度，同時提高了在線檢測速度。首先對目前常見的相位檢測方法進(jìn)行了分析，對比了各方法的優(yōu)缺點(diǎn)。針對在線檢測中要求測量信號頻率高，系統(tǒng)可靠性要好，體積要小等問題，采用“直接比相法”對高頻信號進(jìn)行相位測量，使輸出信號頻率

8、上限可達(dá)到30MHz，完全可以滿足高速測量的要求。設(shè)計中采用了兩套直接比相的電路裝置，并且通過判斷兩路相位相差90°的頻率信號的超前、落后將其測量范圍由0°～180°擴(kuò)展到0°～360°，滿足了輪廓儀對量程范圍的要求。然后通過兩路信號互相校準(zhǔn)和輸入信號線性范圍判斷的方法將裝置中有可能出現(xiàn)大的測量誤差的角度范圍剔除，提高了測量的精度。同時還設(shè)計了四階Butterworth濾波器，對于測量輸出的高頻干擾信號進(jìn)行了硬件濾波，降低了后續(xù)軟件處理

9、的難度。通過實(shí)際檢測，該相位測量裝置測量分辨率可達(dá)到0.1°，測量隨機(jī)不確定度可達(dá)0.38°。完全能夠滿足在線檢測的需求。 （5）運(yùn)用非線性分析與常規(guī)誤差分析相結(jié)合的方式對輪廓儀精度進(jìn)行全面分析，得出與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相吻合的結(jié)論。對于亞納米級的輪廓儀，要實(shí)現(xiàn)其高精度與高分辨率，對誤差來源的分析以及處理是必不可少的。本文針對高速雙頻．在線式輪廓儀誤差來源多，分析難度大的特點(diǎn)，采用常規(guī)誤差分析與非線性分析相結(jié)合的方式，對該輪廓儀進(jìn)行誤差分

10、析，得出結(jié)論與實(shí)驗(yàn)相吻合，為今后為該類儀器的設(shè)計與加工以及改進(jìn)與提高打下理論基礎(chǔ)。對誤差的分析從非線性誤差、系統(tǒng)不穩(wěn)定誤差、儀器測量時安裝調(diào)整不準(zhǔn)確等三方面進(jìn)行。在對非線性誤差的分析中主要對激光偏振態(tài)不理想引起的非線性、激光偏振方向不正交引起的非線性、激光束成橢圓偏振態(tài)引起的非線性、λ/4波片對非線性的影響、立方體分光棱鏡對非線性的影響、反射棱鏡對非線性的影響、激光器光線偏振軸與冰洲石晶體偏振軸不垂直或不重合而引起的非線性等方面進(jìn)行了分

11、析。對系統(tǒng)不穩(wěn)定誤差的分析主要有雙頻激光平均頻率的漂移造成的誤差、系統(tǒng)程差變化造成的誤差、雙頻激光差頻的漂移造成的誤差、高斯光束干涉附加項(xiàng)的變化造成的誤差、相位計產(chǎn)生的誤差等。然后對安裝調(diào)整不準(zhǔn)確誤差以及一些前面未討論到的誤差進(jìn)行了分析，最后得到了系統(tǒng)總的測量不確定度。 （6）對完成的輪廓儀進(jìn)行實(shí)際檢測，包括有垂直分辨率測試、垂直測量不確定度測試、橫向分辨率測試以及與Taly-6機(jī)械觸針式輪廓儀，ZYGO NewView200白