本文關(guān)鍵詞：便攜式光學(xué)表面輪廓儀的研究與應(yīng)用

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【摘要】：隨著科學(xué)研究和先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展,微電子、光學(xué)、機(jī)械行業(yè)對(duì)超精密加工元件的表面面形精度檢測(cè)要求越來越高,工業(yè)生產(chǎn)在線檢測(cè)對(duì)測(cè)量?jī)x器的穩(wěn)定性、便攜性、靈活性和功能性提出了更高的要求。本文采用短相干光顯微干涉測(cè)量技術(shù)和相移技術(shù)相結(jié)合的方法,將光機(jī)系統(tǒng)集成化,研制了便攜式光學(xué)表面輪廓儀,實(shí)現(xiàn)了元件表面微觀三維形貌的高精度、快速測(cè)量。本文分析了基于短相干光干涉顯微鏡的相移干涉技術(shù),掌握其工作原理與設(shè)計(jì)要素,并以此為基礎(chǔ)搭建短相干光Mirau型干涉顯微系統(tǒng)。將光路系統(tǒng)嵌入機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)部,使光路系統(tǒng)、微位移系統(tǒng)和機(jī)械三維調(diào)整平臺(tái)這三個(gè)分立模塊融為一體,實(shí)現(xiàn)儀器的集成化,大大縮小了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體積,提高了對(duì)氣流和振動(dòng)等環(huán)境干擾因素的抑制能力。為了提高儀器的適用性,優(yōu)化了機(jī)械三維調(diào)整測(cè)量臺(tái),實(shí)現(xiàn)了正置、倒置兩種測(cè)量模式,分別用于小口徑和大口徑元件表面的檢測(cè),打破了對(duì)被測(cè)元件橫向尺寸的限制。為了實(shí)現(xiàn)均勻照明,同軸照明系統(tǒng)中使用LED光源,經(jīng)干涉濾光片進(jìn)行短相干調(diào)制,得到了均勻的光強(qiáng)背景。同時(shí)研究高精度相位提取算法,對(duì)比分析了不同的移相算法及其精度,結(jié)合系統(tǒng)特點(diǎn)采用重疊平均移相算法抑制了環(huán)境噪聲造成的非線性誤差。此外使用迭代Gamma估算法校正了CCD非線性誤差,提高了儀器的檢測(cè)精度。為實(shí)現(xiàn)被測(cè)件的精密移相,基于壓電陶瓷移相器設(shè)計(jì)了微位移系統(tǒng)。最后,為了驗(yàn)證儀器的準(zhǔn)確性、高效性和穩(wěn)定性,使用便攜式光學(xué)表面輪廓測(cè)量藍(lán)寶石、硅晶圓等超光滑元件表面并分析了三維表面粗糙度參數(shù)。結(jié)果表明,儀器的粗糙度測(cè)量精度為0.1nm,重復(fù)性誤差優(yōu)于0.01nm,橫向分辨率優(yōu)于1μm。另外,在南京天文光學(xué)技術(shù)研究所進(jìn)行試用,解決了天文望遠(yuǎn)鏡大口徑鏡面的微觀輪廓測(cè)量的難題。
【關(guān)鍵詞】：微觀表面形貌 粗糙度 干涉顯微鏡
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TH74
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 1 緒論7-17
• 1.1 研究背景與意義7-8
• 1.2 表面輪廓儀的發(fā)展及研究現(xiàn)狀8-15
• 1.2.1 觸針式表面輪廓儀8-9
• 1.2.2 掃描顯微鏡9-10
• 1.2.3 光學(xué)輪廓儀10-15
• 1.3 本系統(tǒng)的方案確定15
• 1.4 課題來源15-16
• 1.5 本論文研究?jī)?nèi)容16-17
• 2 光學(xué)表面輪廓儀的光機(jī)系統(tǒng)研究17-34
• 2.1 干涉成像系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)17-22
• 2.1.1 干涉顯微鏡的結(jié)構(gòu)類型18-19
• 2.1.2 光學(xué)顯微鏡的無限遠(yuǎn)系統(tǒng)19-20
• 2.1.3 Mirau型顯微干涉成像的光路設(shè)計(jì)20-22
• 2.2 光源照明系統(tǒng)22-26
• 2.2.1 照明光源的調(diào)制23-25
• 2.2.2 照明系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)25-26
• 2.3 微位移系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)26-28
• 2.4 儀器整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)28-30
• 2.5 測(cè)量不同口徑元件的兩種工作模式30-33
• 2.5.1 儀器正置測(cè)量模式31-32
• 2.5.2 儀器倒置測(cè)量模式32-33
• 2.6 本章小結(jié)33-34
• 3 光學(xué)表面輪廓儀的移相算法與誤差抑制算法研究34-49
• 3.1 相移干涉術(shù)的基本原理34-43
• 3.1.1 七步移相算法36-37
• 3.1.2 重疊平均移相算法37-40
• 3.1.3 兩種移相算法的仿真實(shí)驗(yàn)比較40-43
• 3.2 伽馬(Gamma)畸變相位誤差校正算法43-47
• 3.2.1 迭代Gamma畸變估算法45-46
• 3.2.2 Gamma畸變校正的仿真實(shí)驗(yàn)46-47
• 3.3 本章小結(jié)47-49
• 4 光學(xué)表面輪廓儀的性能指標(biāo)與應(yīng)用實(shí)例49-65
• 4.1 三維表面形貌評(píng)定參數(shù)49-50
• 4.2 便攜式光學(xué)表面輪廓儀的性能介紹50-57
• 4.2.1 整體儀器性能介紹50-51
• 4.2.2 儀器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)51-54
• 4.2.3 系統(tǒng)的分辨率54-55
• 4.2.4 系統(tǒng)的測(cè)量范圍55-56
• 4.2.5 系統(tǒng)的重復(fù)性精度測(cè)量56-57
• 4.2.6 系統(tǒng)的精度檢測(cè)57
• 4.3 典型元件的測(cè)量實(shí)例57-63
• 4.3.1 藍(lán)寶石的超光滑表面粗糙度測(cè)量57-58
• 4.3.2 碳化硅標(biāo)準(zhǔn)樣塊的粗糙度測(cè)量58-60
• 4.3.3 石英玻璃平行平板表面粗糙度測(cè)量60-61
• 4.3.4 光學(xué)反射鏡表面粗糙度測(cè)量61-62
• 4.3.5 硬盤表面粗糙度測(cè)量62-63
• 4.4 相關(guān)單位試用63-64
• 4.5 本章小結(jié)64-65
• 5 總結(jié)與展望65-67
• 5.1 本文的主要工作65-66
• 5.2 展望66-67
• 致謝67-68
• 參考文獻(xiàn)68-72
• 附錄72

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本文編號(hào)：756346