一种新型三维表面形貌测量仪的研制及应用
便携式三维表面轮廓仪(JR25
JR25便携式三维表面轮廓仪（美国NANOVEA品牌介绍：美国NANOVEA是一家全球公认的三维表面形貌测试技术的领导者，生产的三维表面形貌仪测试系统是目前国际上在科学研究和工业领域最先进设备之一，公司在光学设计、精密机械和科学软件算法方面，拥有长期不断发展的专利技术，由于这些专门技术的应用，NANOVEA为生产和质量控制的研究和发展提供精密准确的全方位解决方案。
产品介绍：JR25型三维表面形貌仪是一款便携式表面形貌测量仪，采用国际领先的白光共聚焦技术，可实现对材料表面从纳米到毫米量级的粗糙度测试，具有测量精度高，速度快，重复性好的优点，该仪器的测量探头可以任意旋转，适合精密测量不可移动样品表面形貌，同时适合进行野外测试。
JR25便携式三维表面轮廓仪是野外操作或不可拆卸部件的理想选择。
·结构紧凑，性价比高·替代探针式轮廓仪和干涉式轮廓仪·测量范围：25mm×25mm产品图片：产品特性:1，采用白光共聚焦色差技术，可获得纳米级的分辨率2，测量具有非破坏性，测量速度快，精确度高3，测量范围广，可测透明、金属材料，半透明、高漫反射，低反射率、抛光、粗糙材料(金属、玻璃、木头、合成材料、光学材料、塑料、涂层、涂料、漆、纸、皮肤、头发、牙齿…)；4，尤其适合测量高坡度高曲折度的材料表面5，不受样品反射率的影响6，不受环境光的影响7，测量简单，样品无需特殊处理8，Z方向,测量范围大：为27mm主要技术参数：1，扫描范围：25×25（mm）2，扫描步长：0.1μm3，扫描速度：20mm/s4，Z方向测量范围：27mm4，Z方向测量分辨率：3nm产品应用：MEMS、半导体材料、太阳能电池、医疗工程、制药、生物材料，光学元件、陶瓷和先进材料的研发。
表面形貌测量利器——SuperView W1光学3D表面轮廓仪
表面形貌测量利器——SuperView W1光学3D表面轮廓仪Super View W1光学3d表面轮廓仪是一款用于对各种精密器件及材料表面进行亚纳米级测量的检测仪器。
它是以白光干涉技术为原理、结合精密z向扫描模块、3d建模算法等对器件表面进行非接触式扫描并建立表面3d图像，通过系统软件对器件表面3d图像进行数据处理与分析，并获取反映器件表面质量的2d、3d参数，从而实现器件表面形貌3d测量的光学检测仪器。
Super View W1光学3d表面轮廓仪可广泛应用于半导体制造及封装工艺检测、3c电子玻璃屏及其精密配件、光学加工、微纳材料及制造、汽车零部件、mems器件等超精密加工行业及航空航天、国防军工、科研院所等领域中。
可测各类从超光滑到粗糙、低反射率到高反射率的物体表面，从纳米到微米级别工件的粗糙度、平整度、微观几何轮廓、曲率等，提供依据iso/asme/eur/gbt四大国内外标准共计300余种2d、3d参数作为评价标准。
Super View W1光学3d表面轮廓仪显著特性：1.高精度、高重复性1）采用光学干涉技术、精密z向扫描模块和优异的3d重建算法组成测量系统，保证测量精度高；2）独特的隔振系统，能够有效隔离频率2hz以上绝大部分振动，消除地面振动噪声和空气中声波振动噪声，保障仪器在大部分的生产车间环境中能稳定使用，获得极高的测量重复性。
2.一体化操作的测量分析软件1）测量与分析同界面操作，无须切换，测量数据自动统计，实现了快速批量测量的功能；2）可视化窗口，便于用户实时观察扫描过程；3）结合自定义分析模板的自动化测量功能，可自动完成多区域的测量与分析过程；4）几何分析、粗糙度分析、结构分析、频率分析、功能分析五大功能模块齐全；5）一键分析、多文件分析，自由组合分析项保存为分析模板，批量样品一键分析，并提供数据分析与统计图表功能；6）可测依据iso/asme/eur/gbt等标准的多达300余种2d、3d参数。
三维表面形貌仪(ST400
ST400三维表面形貌仪（美国NANOVEA
产品介绍：
ST400型三维表面形貌仪是一款多功能的三维形貌仪，采用国际领先的白光共聚焦技术，可实现对材料表面从纳米到毫米量级的粗糙度测试，具有测量精度高，速度快，重复性好的优点，该仪器可用于测量大尺寸样品，并具有多种选项，包含360°旋转工作台，原子力显微镜模块，光学显微镜，特征区域定位等多种功能模块。
·应用范围广
·适合大样品的测试
·测量范围：150mm×150mm
·360O旋转工作台
·带彩色摄像机（测量前可自动识别特征区域）
1355/ 2027/ 062 云
产品特性:
1，采用白光共聚焦色差技术，可获得纳米级的分辨率
2，测量具有非破坏性，测量速度快，精确度高
3，测量范围广，可测透明、金属材料，半透明、高漫反射，低反射率、抛光、粗糙材料(金属、玻璃、木头、合成材料、光学材料、塑料、涂层、涂料、漆、纸、皮肤、头发、牙齿…)；
4，尤其适合测量高坡度高曲折度的材料表面
5，不受样品反射率的影响
6，不受环境光的影响
7，测量简单，样品无需特殊处理
8，Z方向,测量范围大：为27mm
主要技术参数：
1，扫描范围：150mm×150mm(最大可选600mm*600mm)
2，扫描步长：0.1μm
3，扫描速度：20mm/s
4， Z方向测量范围：27mm
4， Z方向测量分辨率：2nm
产品应用：
MEMS、半导体材料、太阳能电池、医疗工程、制药、生物材料，光学元件、陶瓷和先进材料的研发。
美国NANOVEA公司的三维非接触式表面形貌仪资料
四、产品技术优势
1．采用国际最前端的白光轴向色像差技术，可获得最小2nm的分辨率
2．测量具有非破坏性，测量速度快，精确度高
3．测量范围广，可测透明、金属材料，半透明、高漫反射，低反射率、抛光、粗糙材料(金属、玻璃、木头、合成材料、光学材料、塑料、涂层、涂料、漆、纸、皮肤、头发、牙齿…；
6、具有精确定位功能，可以从已经扫描的区域中重新精确扫描任意特定区域。
6.2专业3D
分析软件功能：
1、创建2D，3D图像；
2、自动得到样品的线粗糙度参数（Ra,Rp,Rv,Rz,Rc,Rt,Rq,Rsk,Rku），面粗糙度（Sa,Sp,Sq,Sv,Sz,Ssk,Sku），平整度，波纹度等参数；
3、自动校准功能，例如粗糙度，一般情况下对于曲面样品，首先展平，然后自动给出粗糙度的参数；
六、测试软件：
NANOVEA软件包含两个软件：NANOVEA 3D数据采集软件与专业的3D分析软件。
6.1 3D
数据采集软件功能：
1、可采集每一个测量点的XYZ三维坐标；
2、线扫描与面扫描两种模式可供选择；
3、可设置测量范围、测量步长、扫描速度等参数；
4、实时显示测量所需时间；
5、实时显示样品的2D图像与3D图像
·超高的扫描速度（可达1m/s，数据采集频率可达
31KHz，最高可达
324KHz）
·能保证超高平整度和稳定性（花岗石平台）
三、测量原理简介：
Nanovea公司的三维非接触式表面形貌测量仪采用的是国际最前端的白光轴向色差技术技术实现先进的高分辨率的三维图像扫描与表面形貌测量。
3D表面轮廓仪主要应用
3D表面轮廓仪主要应用测量动态MEMS设备光学轮廓仪是确定MEMS设备表面特征的一种非常有用的工具。
传统意义上，光学轮廓仪被用来测量样品的表面特性。
但是，在测量过程中，所测量的样品需保持在静止的状态下，如果样品不稳定或者处于运动状态则会引起图像混乱模糊、数据不完整或者数据丢失等现象。
然而，对于MEMS设备，需要确定该设备处于运动状态时的形貌特征，了解和确定其在运动状态下的功能和特征对研发和生产质量控制至关重要，作为质量检验，只有动态测量才可以真正模拟MEMS实际运行状态，从而达到正真的功能检测。
先进的3D光学轮廓仪能够实现这一测量功能，运用NewView™7300和新的动态测量模块DMM可以形成一个动态测量体系：一个频闪的LED光源同步于MEMS设备的触发信号，通过调整光源的频闪频率，其MEMS设备的运动被有效“静止”。
实现光学轮廓仪在动态设备上进行测量。
无论是生产制造过程中的质量控制，还是实验室的研究，ZYGO装有DMM模块的NewView™7300系统对检查静态和动态MEMS提供了不可或缺的测量设备和全面的解决办法。
其最佳的测量范围和测量速度，已成为动态MEMS测量的理想解决方案。
薄膜分析应用白光扫描干涉仪NewView™系列能够从样品表面反射和参照反射的相干光中产出形貌高度数据。
干涉物镜在垂直方向上进行扫描，CCD记录下干涉条纹的演变。
计算机通过分析条纹演变过程中的强度变化，就能精确确定样品形貌的高度。
过去，测试样品时，只有一个调制信号被检查到，但大部分的样品如半导体、MEMS、平面显示屏等，这些样品透射且能在样品的同一点上产生多个调制信号，利用传统的分析方法来处理这些信号有可能导致不正确或不存在的数据。
为分离多个调制信号，MetroPro®8.1.1（或更高级版本）包含ZYGO专利的薄膜分析软件——TopSlice和FilmSlice可以消除这些缺陷并让用户获得下列结果：• 单独测量薄膜顶部表面形貌• 单独测量薄膜底部表面形貌• 单独测量薄膜厚度、顶部表面形貌和底部表面形貌NewView™7300系统采用一种增强型光源，包括一个LED光源和一个可变的光圈来限定光源的数值孔径。
三维共聚焦表面形貌仪PhaseShiftMicroXAM-3D
3 Dimensional Confocal Microscope Phase Shift MicroXAM-3D 用于测量表面粗糙度、精加工表面纹理，测量范围从高度抛光的光学件直至粗糙表面；如：扎制的钢材、塑料、纸张、陶瓷和硅晶片等。
备有光学显微镜及不同目镜；高分辨率的摄像机可自动调焦测出752×480个数据点。
使用光学干涉法进行定量测量，可采用目视和共焦两种模式操作。
使用所提供的绘图和分析软件，可获得优化表面纹理图像，并生成三维干涉断面图。
MicroXAM-3D can measure the surface profile and surface roughness of polished optical elements and rough metal surfaces, such as the milled steel, plastics, ceramics and the silicon disks. The surface patterns and the 3D interference cross section figures can be acquired by the provided graphic and analysis tools. The optical interference method is used to achieve quantitative measurement, visual and confocal modes are both provided.Optical microscope and different eyepieces are provided.752×480 data can be acquired by automatic focusing in high precision camera.分辨率752×480像素（可选1K×1K）XYZ行程100mm×100mm×100mmRMS重复精度1nm垂直扫描范围30um 100um 5mm10mm垂直扫描分辨率最小可到0.01nm数据采集速度标准型：2.1um/sec.侧向分辨率0.11-8.8um视场范围8mm×10mm-0.084mm×0.063mm校正精度<<0.1%反射率要求1%—100%预约电话：６２７８３３６５。
使用全息测量仪进行三维表面形貌测量方法
使用全息测量仪进行三维表面形貌测量方法近年来，全息测量仪作为一种新兴的三维表面形貌测量方法，受到了广泛关注和应用。
全息测量仪能够以非接触、快速、精确的方式获取物体的表面形貌信息，为各个领域的研究和应用提供了强有力的工具支持。
本文将重点阐述全息测量仪的工作原理、测量方法以及在不同领域的应用。
全息测量仪的工作原理是基于光学全息的原理。
光学全息是指通过记录光的相位和振幅信息，使得在光学全息记录介质上的记录波前能够重构出被记录物体波前的一种技术。
全息测量仪利用光波经过物体时的衍射现象，通过记录光波的相位信息来获取物体的表面形貌。
全息测量仪通常由光源、物体平台、相机以及数据处理系统组成。
在全息测量中，首先需要选取适当的光源。
常见的光源包括激光光源和白光源。
激光光源的特点是具有高亮度、高一致性和高方向性，能够提供稳定的光源，适合进行高精度的测量。
白光源由于具有连续的波长分布，能够提供更丰富的信息，适用于获取物体的颜色和纹理等表面特征。
在全息测量中，物体平台承载待测物体，并保持物体的稳定。
物体平台通常具有微调功能，能够实现物体在不同方向上的旋转和平移，以便于全面测量物体的表面形貌。
相机是全息测量的重要组成部分，用于记录光波的相位信息。
常见的相机有CCD相机和CMOS相机，它们具有高灵敏度、高分辨率的特点，能够满足全息测量的要求。
要进行全息测量，首先需要进行全息干涉记录。
全息干涉记录是指将待测物体和参考光束进行干涉，记录光波的相位信息。
在全息测量仪中，干涉记录的方式通常有直接记录和间接记录两种。
直接记录是指通过将参考光束和物体光束同时照射到感光介质上进行记录；间接记录是指先记录物体光束的干涉图像，然后再通过参考光束进行重构。
不论是直接记录还是间接记录，都需要一系列的光学元件来引导和调整光路，以获得所需的干涉图像。
得到干涉图像后，需要通过数码图像处理技术对图像进行处理和分析，以获取物体的表面形貌信息。
数码图像处理技术主要包括图像采集、预处理、相位重构和形貌提取。
原子力显微镜的原理及应用
原子力显微镜的原理及应用原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种基于扫描探针显微技术的非接触式三维表面形貌和力学性质测量仪器。
它利用微米尺度探针对样品表面进行扫描，测量表面的力学性质，并通过计算机处理得到样品表面的高度图像等详细信息。
AFM的原理和应用十分广泛，下面将详细介绍。
首先，AFM的原理是基于微弹簧原理。
它通过在探针的针尖上附加微弹簧，使探针与样品表面之间的相互作用力引起弹簧变形。
当探针在样品表面扫描时，弹簧变形的程度与样品表面的形貌及力学性质有关。
通过测量探针的弯曲程度，可以得到样品表面的形貌信息。
同时，AFM还可以在样品表面施加特定的力，从而测量样品的力学性质，如弹性模量、硬度等。
AFM的应用非常广泛。
首先，AFM可以用于材料表面的形貌测量。
与传统的光学显微镜相比，AFM可以以原子级的分辨率观察到材料表面的微观结构，如晶体的缺陷、表面的均匀性等。
这对于材料的研究和表征具有重要意义。
此外，AFM还可以用于纳米材料的表征，如纳米颗粒的大小和形状等。
其次，AFM可以用于生物科学的研究。
由于AFM能够在液体环境下进行扫描，可以直接观察细胞和生物分子的表面形貌和力学特性。
这对于研究细胞的结构和功能，以及生物分子的相互作用具有重要意义。
例如，科学家可以利用AFM观察细菌细胞的形态变化，进一步研究其生长和分裂的机制。
此外，AFM还可以用于纳米器件的制备和表征。
在纳米器件的制备中，AFM可以用于实时监测纳米颗粒的形貌和尺寸，控制其生长过程。
在纳米器件的表征中，AFM可以用于观察金属或半导体材料的电子结构和缺陷分布，从而评估器件的质量和性能。
最后，AFM还可以应用于表面力学性质的研究。
不同材料的表面具有不同的硬度和弹性模量等力学性质。
通过在AFM的探针上施加不同的力，可以得到样品表面的硬度分布和弹性模量分布等重要信息。
这对于材料的力学性能研究和材料改性具有重要意义。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
U2 ( l, x) = exp [ < - 1 - 2πλltanε) ]
(2)
式中 : l为沿光电阵列面或干涉条纹排列方向的坐 标 , λ为激光波长 。
则它们在合成处 l的复振幅表达式为 :
U ( l, s) = U1 ( l, s) + U2 ( l, s)
(3)
其合成光强度分布为 :
I ( l, s) = U ( l, s) 3 U ( l, s) =
关键词 : 表面形貌测量仪 ; 微位移传感器 ; 直线相位光栅干涉 ; X2Y二维工作台 ; 平行弹簧 中图分类号 : TG84 文献标识码 : A 文章编号 : 0254 - 0150 (2009) 5 - 084 - 3
D evelopm en t and Applica tion of a New Three2d im en siona l Prof ilom eter
2009年 5月 第 34卷 第 5期
润滑与密封
LUBR ICATION ENGINEER ING
一种新型三维表面形貌测量仪的研制及应用
May 2009 Vol134 No15
王淑珍 1, 2 谢铁邦 1
(11华中科技大学机械科学与工程学院 湖北武汉 430074; 21洛阳理工学院机电工程系 河南洛阳 471023)
图 3 平行弹簧机构结构 Fig 3 The structure of parallel sp rings
图 3为本传感器采用平行簧片机构的结构图 , 图
86
润滑与密封
第 34卷
中夸大了片簧的尺寸 , 忽略了各零件质量 。当触针 与工件轮廓接触时 , 杠杆受到测量力的作用 , 测量力 通过刀口传递到平移架上 , 与复位弹簧的预拉力一起 使上下两个片簧发生变形 。平行簧片机构在预拉力 f 和杠杆拉力 F 形成的转矩作用下 , 由平移架带动计 量光栅移动 。 213 传感器光电信号处理
Abstract:A high2p recision 3D p rofilometer for surface metrology with the characteristic of high resolution, long measure range and low cost was introduced. The 3D p rofilometer consists of several parts, the m icro2disp lacement sensor based on linear phase grating interference, the X2Y 2D p latform , the column, the op toelectronic detector and its signal p rocessing cir2 cuit, the computer and data p rocessing software. The operating region of the 2D p latform is 50 mm ×50 mm. The resolution step disp lacement of the 2D p latform is 012μm and the resolution of the double diffraction grating metrology system of the p latform is 0105μm. The theoretical vertical resolution of the m icro disp lacement sensor may achieve 0112 nm, and the ac2 tual measuring range of the disp lacement sensor is 2 mm , which can reach 6 mm by rep lacing the measuring lever.
W a ng S huzhe n1, 2 X ie Tie ba ng1
( 1. Schoo l of M echanical Engineering and Science, Huazhong U niversity of Science and Technology,W uhan Hubei 430074, China; 2. D epartment of Electrical and M echanical Engineering, Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang Henan 471023, China)
被测工件放置在 X2Y二维工作台上 , 触针沿被 测面作接触扫描时 , 会随着表面轮廓几何形状作垂直 起伏运动 , 使杠杆绕其支点转动并通过刀口带动安装 在平行簧片机构上的光栅上下垂直运动 。激光器发出 的激光束入射到全息相位衍射光栅上 , 产生 ±1 级衍 射光 , 它们经过反射镜和分光棱镜后产生干涉 , 形成 明暗相间的干涉条纹 。当光栅上下移动时 , 干涉条纹 跟随移动 。条纹移动量由光电探测器件测出 , 利用计 算机的软硬件技术对干涉信号进行辨向 、细分 , 获取 传感器位移量 。 2 直线相位光栅微位移传感器
I0
(2
+
2cos( 4πx d
+
4πλltanε)
)
(4)
式 ( 4) 表示当光栅静止时 , 在光电探测器处形
成有明暗相间的干涉条纹 ; 当光栅移动了一个光栅节
距时 , 干涉条纹相位变化 4π, 可得到 2 个周期的正
弦波输出 , 则光栅信号脉冲当量 Δx = d /2。条纹移动
量由光电探测器件测出 , 从而获得光栅移动的位移
该三维表面形貌测量仪的微位移传感器主要由透 射型全息衍射正弦相位光栅 、平行簧片机构 、触针及 测杆 、半导体激光器 、光电探测器及信号处理电路组 成 。结构原理如图 2所示 。平行簧片机构由一对带夹 板的片簧 、平移架和固定架组成 , 衍射光栅安装在平 行簧片机构的平移架上 。触针沿被测面作接触扫描 时 , 会随着表面轮廓几何形状作垂直起伏运动 , 使杠 杆绕其支点转动并通过刀口带动安装在平移架上的光 栅上下平移运动 。
收稿日期 : 2008 - 12 - 16 作者简介 : 王淑珍 ( 1971—) , 女 , 副教授 , 博士研究生 , 主要 从事测试技术及仪器研究 1E2mail: ly_wsz@1631com1
图 1 三维表面形貌测量仪结构 Fig 1 The structure of p rofilometer
量 。本传感器采用的正弦相位型全息衍射光栅空间频
率为 1 000条 /mm、光栅栅距为 1μm。干涉光源采用 半导体激光器 , 波长为 01650 μm。 212 平行弹簧
平行簧片机构是由平行平动片簧构成的一种弹性
微动导轨 [4 ] 。由于弹性导轨仅利用受力后的弹性变形
来实现微位移 , 故仅存在弹性材料内部分子之间的内
二维工作台的定位精度和平面基准是决定最终三 维表面形貌测量精度的重要因素 [8 ] 。本轮廓仪采用以 双衍射光栅为计量系统的 X2Y二维共基面工作台 。 工作台采用共基面运动结构 , 使 X、 Y 方向的运动都 在一个平晶的基准面上发生 , 可以保证工作台沿 Z 向跳动量很小 , 又可以使工作台绕 X、 Y 轴几乎没有 偏转 。另外 , 工作台采用双导轨结构 , 其中一个导轨 通过螺丝固定在驱动工作台上 , 并保证沿 Y 向具有 较高的运行平行度 , 然后与固定在基座上的导轨通过 滚珠紧密配合在一起 , 配合的紧密程度主要通过调节 基座导轨位置 。工作台利用双衍射光栅计量系统作为 位置反馈元件 , 对工作台 X2Y方向上的位移进行实 时采集和测量 , 进行闭环控制 , 以达到精确定位的目 的。 4 实验结果
摩擦 , 而且无导向间隙 , 导向精度高 , 反应灵敏 , 可 以达到极高的分辨力 。
图 2 传感器结构示意图 Fig 2 The schematic diagram of the sensor
211 光学原理 激光器发 出 的 激 光 束 入 射 到 全 息 相 位 衍 射 光 栅
上 , 产生 ±1级衍射光 , 它们经过反射镜和分光棱镜 后产生干涉 , 形成明暗相间的干涉条纹 。当光栅常数 为 d的光栅在某个方向产生一个相对位移 x时 , 发生 一次衍射后 , 形成的 + 1、 - 1 级衍射光的相移 < +1、 < - 1分别为 :
该三维表面形貌测量仪由基于直线相位衍射光栅 干涉原理的微位移传感器 、X2Y二维工作台 、立柱 、 光电探测器以及信号处理电路 、计算机及数据处理软 件组成 , 如图 1所示 。机械机构安装在防震的大理石
2009年第 5期
王淑珍等 : 一种新型三维表面形貌测量仪的研制及应用
85
平台上 。位移传感器采用平行簧片实现精密直线运 动 , 相位透射型正弦衍射光栅作为计量光栅实现高精 密的位移测量 。X2Y二维工作台由伺服电机驱动 , 采 用双衍射光栅计量系统作为位置反馈元件 , 对工作台 X2Y方向上的位移进行实时采集和测量 。