隨著超精密加工技術(shù)日益成熟,由于其具有微納米尺度、難以直接接觸、微觀表面效應(yīng)、定位誤差影響大等特點(diǎn),使得常規(guī)檢測手段己不能滿足要求。而掃描白光干涉檢測技術(shù)具有分辨率高、速度快、大范圍且非接觸等特點(diǎn),成為超精密檢測的研究熱點(diǎn)。本文根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和要求,基于掃描白光干涉原理,研制了一套微觀形貌檢測系統(tǒng)。首先,分析了掃描白光干涉檢測原理、表面粗糙度測量及三維形貌恢復(fù)算法。其次,對測試系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對金相顯微鏡改裝式白光干涉儀的可測范圍小缺點(diǎn),合理設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)的空間布局并實(shí)現(xiàn)自動化。研制了一種結(jié)構(gòu)緊湊,可靠性高、體積小、能夠連續(xù)切換濾波片的調(diào)節(jié)裝置。研制了一種柔性結(jié)構(gòu)微位移器,實(shí)現(xiàn)了垂直掃描功能。研制了一種操作簡便的干涉條紋微調(diào)機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)干涉條紋的旋轉(zhuǎn)、水平移動及粗細(xì)調(diào)節(jié)功能。利用Workbench對關(guān)鍵零部件進(jìn)行了有限元分析,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性。然后,設(shè)計(jì)開發(fā)了測試軟件,實(shí)現(xiàn)了電移臺的運(yùn)動控制、微位移器器的掃描控制、干涉圖像的采集控制、信號數(shù)據(jù)的處理計(jì)算以及最終三維形貌信息的展示。最后,對測試系統(tǒng)性能進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。采用單刻線板和標(biāo)準(zhǔn)粗糙度樣塊分別進(jìn)行重復(fù)性精度測試,誤差均小于5%,對典型光電器件進(jìn)行三維形貌恢復(fù),主要技術(shù)指標(biāo)滿足預(yù)期要求。
【學(xué)位單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH744.3
【部分圖文】：

測量效率很低，很難做到大面積測量，難以用于微電路、ＭＥＭＳ器件的表面形貌恢復(fù)。??掃描顯微鏡測量法包括掃描電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡［１４］，如圖??１．?３至圖１．?５所示。掃描電子顯微鏡（ＳＥＭ?Ｓｃａｎｎｉｎｇ?Ｅｌｅｃｔｒｏｎ?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）利用聚焦得非常??細(xì)的電子束作為電子探針［１５］。通過探測被測表面經(jīng)電子束轟擊所激發(fā)的二次電子的能量，??其強(qiáng)度與表面形貌對應(yīng)，即可獲得微觀表面信息。掃描隧道顯微鏡（ＳＴＭ?Ｓｃａｎｎｉｎｇ??Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）的基本原理是基于量子隧道效應(yīng)［１６］。在探針沿被測表面移動時(shí)，??檢測探針與表面的間隙中出現(xiàn)隧道電流大小，驅(qū)動和控制探針上下移動使隧道電流保持??不變，其上下移動量便反映了被測表面的峰谷的高低。原子力顯微鏡（ＡＦＭＡｔｏｍｉｃ?Ｆｏｒｃｅ??Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）的基本原理是基于探針與樣品之間的原子相互作用力［１７］。利用微懸臂感受和??放大懸臂上尖細(xì)探針與受測樣品原子之間的作用力，從而達(dá)到檢測的目的，便可測出被??測表面的形貌。??產(chǎn)?＇知．．??／ｌｉ．?????■層?！！??圖１．３掃描電子顯微鏡?圖１．４掃描隧道顯微鏡?圖１．５原子力顯微鏡??針對機(jī)械接觸式測量法和掃描顯微鏡測量法的量程小、被測表面破壞、測量效率低、??實(shí)現(xiàn)在線檢測困難等缺點(diǎn)，為滿足微電路、微光學(xué)器件、ＭＥＭＳ器件等各種高精密加工表??面器件的生產(chǎn)和檢測。近年來

共焦顯微鏡的橫向分辨率是同焦孔比的普通顯微鏡的１．４倍，可達(dá)０．１８ｐｍ，同時(shí)具有??很強(qiáng)的縱向深度的分辨能力，并能對觀測樣品進(jìn)行分層掃描和三維圖像的重建。激光共??焦掃描顯微（ＣＬＳＭ?Ｃｏｎｆｏｃａｌ?Ｌａｓｅｒ?Ｓｃａｎ－ｎｉｎｇ?Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）原理如圖１．?６所不，利用激光點(diǎn)??光源產(chǎn)生物點(diǎn)，照明樣品同時(shí)掃描表面，并成像在光電倍增管上。當(dāng)被測表面和探測表??面滿足共軛條件時(shí)，探測面上的成像點(diǎn)直徑最小、能量最大；物點(diǎn)偏離時(shí)，探測面上的??成像點(diǎn)直徑變大、能量變小。通過調(diào)節(jié)物點(diǎn)與被測面的位置，使得激光能量輸出最高，??掃描樣品，記錄不同位置的信息可重構(gòu)出完整的表面。圖１．７所示為奧林巴斯ＬＥＸＴ??０ＬＳ４１００激光共焦顯微鏡，其采用４０５ｎｍ的短波長激光，平面分辨率達(dá)到了?０．?１２ｐｍ［１９］。??圖１．８所示為蔡司ＬＳＭ８００激光共聚焦顯微鏡，采用轉(zhuǎn)盤掃描，最快的高精度模式掃描??速度超過５０幅／秒（２０４８＊２０４８分辨率）［２Ｇ］。??光電倍增管卜十算機(jī)＿??探測光闌Ｙ??＼￣?物鏡?被測表面??光源?＿＿??照明光闌?分

?基于白光千涉的微觀形貌檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究??離焦檢測法通過測量顯微物鏡與被測表面的離焦量反映被測表面的形貌。圖１．９所??示，利用傅科棱鏡和四象限光電探測器檢測離焦信號，使用音圈電機(jī)對鏡頭調(diào)焦，檢測??其調(diào)焦量即對應(yīng)被測表面高度變化。??又光源??傅科棱鏡?ｔ??物鏡位移?／么??＼＾ｙＣ?四象限光??檢測?＾?電探測器??Ｉ?￣［個(gè)?Ｄ??音圈電機(jī)調(diào)焦?￣??圖１．９傅科刀口法檢測離焦信號的光學(xué)輪廓儀原理圖??微分干涉法是一種橫向?qū)Ρ鹊淖韵喔杉夹g(shù)，它將同一被測面發(fā)出的具有一定相位分??布的光束沿橫向分開一段微小的距離，或使其中一束光束沿徑向縮小，從而構(gòu)建出兩束??相干光，它們的干涉結(jié)果可反映相鄰位置的表面高度變化［２１］。??外差干涉法是通過參考信號和測量信號沿著相同的光路入射到物體的表面上，機(jī)械??位移誤差、環(huán)境振動和空氣擾動等誤差因素等對兩束光信號的影響相同，在恢復(fù)被測面??形貌時(shí)不會引入額外誤差，從而提高了儀器的精度和抗干擾能力Ｐ２］。??顯微干涉測量法是以現(xiàn)代光學(xué)顯微鏡作為載體
【參考文獻(xiàn)】

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2 張林;吳振強(qiáng);;基于OpenCV的圖像特征智能識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J];電子設(shè)計(jì)工程;2015年20期

3 李華麗;;蔡司LSM 7DUO激光掃描共聚焦顯微鏡的配置[J];科技創(chuàng)新與應(yīng)用;2015年26期

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5 蔣庭佳;姜曼;阮斌;陶振強(qiáng);賈南南;郭漢明;;像散離焦檢測系統(tǒng)中光斑能量中心偏移對測量精度的影響[J];光學(xué)技術(shù);2013年06期

6 韓文梅;康天合;;基于白光干涉泥巖表面形貌試驗(yàn)研究[J];太原理工大學(xué)學(xué)報(bào);2013年04期

7 張也晗;崔彤;張揚(yáng);王俊秋;;表面粗糙度三維測量和評定的研究[J];計(jì)量與測試技術(shù);2012年11期

8 黃美發(fā);程雄;劉惠芬;陳磊磊;;表面形貌評定方法對比分析[J];機(jī)械設(shè)計(jì);2012年05期

9 白秀琴;劉雪梅;袁成清;周新聰;;貝殼表面形貌測量技術(shù)研究[J];潤滑與密封;2011年06期

10 劉晨;陳磊;王軍;韓志剛;師麗麗;;利用白光掃描干涉測量表面微觀形貌[J];光電工程;2011年01期

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5 李娟;白光顯微干涉表面形貌三維測量系統(tǒng)的研究[D];華中科技大學(xué);2012年

6 楊波;基于白光干涉的觸針式表面粗糙度測量技術(shù)的研究[D];華中科技大學(xué);2012年

7 張建;基于圖像法的工件表面粗糙度檢測系統(tǒng)研究[D];南京航空航天大學(xué);2011年

8 程偉林;偏振相移顯微干涉超精表面形貌測量研究[D];華中科技大學(xué);2011年

9 倪媛;表面三維形貌測量方法研究[D];山東大學(xué);2009年

本文編號：2842352