[其他]无接触高分辨率扫描式激光轮廓仪

说明书

本发明属于激光测试技术领域。用偏振光差动干涉原理和光电信号相位测量法测量精细表面轮廓形状的方法和设备。

由于高性能光学设备、射线设备（如激光武器和x射线天体测量装置）和集成电路工业技术的发展，新的、高分辨率无接触轮廓测量方法成为迫切的需要，研究者也为数不少。在这方面有关的文章有：

（Ⅰ）Z.F.Zhou（周肇飞）《PTB    Mitteilungen》94.1/84“untersuchungen    ueber    ein    Fotoelektri-sches    Interferenz-messmikroskop    mit    Zweifreq-uenzlaser    Zum    Messen    Von    Feinstrukturen”。

（Ⅱ）G.Makosch，B.Drolliner《Applied    Optics》1984.12.“Surface    profile    measurment    With    a    scanning    differential    ac    Interferometer”

（Ⅲ）C.W.See，M.Vaez，and    H.K.Wikramasinghe《Applied    Optics》1985.8.“Scanning    differe-ntial    phase    contrast    optical    microscop：appl-ication    to    surface    studies”《Applied    Optics》1    August    1985/Vol.24，No.15等均有报导。

但这些研究工作皆有明显不足，主要问题是：

1    差动干涉仪只能作相对测量-只能比较两个小光点投射处的高低差别，并不能测出真实轮廓。往往光束只是部份利用物镜孔径因无法造成足够小的光点，横向分辨率低。

2    只能适用于某一特定的表面形状或很小的测量范围，局限性很大。

3    对设备本身的制造精度要求过高，不易稳定，难以达到高分辨率。

4    现在使用最多的接触式表面轮廓测量仪器，测量时会划伤精细表面，对于要求不允许留下划伤的表面，则用接触式测量仪器无法测量。

本发明提供的无接触高分辨率扫描式激光轮廓仪能测出精细表面轮廓的真实形状，又具有差动干涉仪对外界振动，干扰不敏感的优点，对本身制造精度亦无过高要求。其分辨率和信噪比极高。能测量任何形状的精细轮廓，且无接触，完全不会划伤被测表面。适用于测量各种金属与非金属的精细表面轮廓形状。如高级镀膜光学表面，大功率激光器的金属反射镜，x射线天文装置的反射面，硅片材料表面，超大规模集成电路，校对轮廓仪的精细标准块等。

图1是无接触高分辨率扫描式激光轮廓仪结构示意图

（1）激光管。（2）玻片。（3），（3′）偏振片。（4），（17）透镜。（5），（18）光电管。（6），（19）放大器。（7），（10）冰洲石双折射晶体。（9），（12）反射镜。（11）透镜。（13）半透半反射镜。（14）λ/4波片。（15）物镜。（16）被测件。（20）相位计。（21）记录器

本发明是一种利用了差动原理的偏振干涉仪。用偏振分光器件将激光分成偏振方向互相垂直的两束，一束作为参考臂，使会聚于物镜象方焦点上，经物镜后变成直径较大并可通过更换物镜组改变直径大小以适应不同被测件要求的平行光束ν₁。另一束光ν₂作为测量臂，在进入物镜前保持为直径能充满物镜孔径的平行光，经物镜会聚成极小的光点落到被测表面上。此两束光中心同轴。由于参考臂光束射到被测面上的光斑甚大40μm～10mm对于细小的起伏不平无反应，而测量光斑很小（可达1μm），所以能以1μm的横向分辨能力测量在高度方向精细到1（埃），极限分辨率可达0.1的表面轮廓形状。上述很高分辨率是通过相位测量实现的。由于光束ν₁和ν₂是同轴的，最理想的利用了差动干涉仪抗干扰、防振性能优越的特点，为相位测量提供了高信噪比条件。