Mirau相移干涉轮廓仪检测微表面三维形貌

Mirau相移干涉轮廓仪检测微表面三维形貌∗
张红霞♣，张以谟，井文才，周革，李朝辉，李岩
天津大学精密仪器与光电子工程学院 300072， 光电信息技术科学教育部重点实验室（天津大学） 摘要：基于 Mirau 双光束干涉，设计了检测微表面形貌的 Mirau 相移干涉轮廓仪。Mirau 干涉物 镜中增加了支撑板，补偿板和分束板的表面质量要求相同，物镜为筒长无限的长工作距物镜。 Mirau 干涉物镜的数值孔径 NA=0.3，放大率β=-10，工作距 5mm。移项器是压电陶瓷传感器 PZT。连续采集了 5 幅光纤连接器端面的干涉图，经五步相移法得到表面三维形貌。 关键词：Mirau 干涉；相移干涉轮廓仪；Mirau 干涉物镜；五步相移法；光纤连接器 Microsurface Three-dimensional Topography Measurement
Key words: Mirau interference; Phase-shifting interferometry; Mirau interference objective; Five-step
phase-shifting algorithm; Optical fiber connector
图 3 光纤连接器的干涉图 Fig.3 Interferogram of optical fiber connector
图 4 光纤连接器的表面形貌 Fig.4 Surface topography of optical fiber connector
4.结论
基于 Mirau 干涉，设计了检测微表面形貌的 Mirau 相移干涉轮廓仪。Mirau 干涉物镜和镜筒 透镜之间是平行光，其放大倍率为 10，数值孔径为 0.3，工作距 5mm。Mirau 干涉物镜中参考 面和被测面对于分束面是对称的，增加了支撑板，补偿板和分束板的表面质量要求相同。PZT 为移相器。用轮廓仪检测了光纤连接器端面，连续采集了 5 幅干涉图，经过五步相移法得到表 面三维形貌。
双光束 Mirau 干涉在物镜和被测面间放置参考板和分光板。因为物镜在产生干涉的两束光 的前面，因而在测量时物镜不会引入附加光程差。由于参考光和测量光近似共路，因此可排除 很多干扰的影响[3]。
∗国家自然科学基金(60377031)；天津市自然科学基金资助项目(023602411) ♣电话 022-27403147 email: zhanghongxia@
引言
随着微细加工技术的不断进步和微电路、微光学元件、微机械以及其它各种微表面的不断 出现，迫切需要微表面三维形貌测量的相关技术[1]。干涉显微测量就是用光波干涉和显微放大 的原理，进行非接触表面测量，而且不依据传统的条纹形状和间距的干涉条纹判读法来测量表 面形貌，而是采用如外差干涉[2]、锁相干涉以及相移干涉这些实时位相自动测量技术来快速精 密测量表面形貌，它一次测出的是一个面上的表面形貌。
的引进了相移量，则干涉光强变为：
I (x, y) = I0 (x, y)(1+ Acos(ϕ (x, y)+α ))
(2)
式中，α是人为引进的相移量，如采用五步相移法，假设参考面每步的相移量为π/2，则五步的
光强值为
I1 = I0 (x, y)[1+ Acos(ϕ (x, y) − π )]
I2 = I0 (x, y)[1+ Acos(ϕ (x, y) − π / 2)]
涉场中任一点在不同相移量下的光强值来求解该点相位[4,5]。干涉条纹的光强为
I (x, y)=I0(x, y)(1+ Acos(ϕ (x, y)))
(1)
式中 I (x, y) 为干涉条纹光强， I0 (x, y) 是直流光强， A 为调制幅度，ϕ(x, y) 是被测面和参
考面对应点的相位差，方程(1)有三个未知数 I0 (x, y)，A 和ϕ(x, y) 。在相移干涉中，由于人为
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基于 Mirau 干涉，设计了检测微表面形貌的 Mirau 相移干涉轮廓仪，分析了 Mirau 干涉中 物镜的结构，给出其结构参数。用 Mirau 相移干涉轮廓仪检测了光纤连接器端面，得到了多幅 干涉图，运用相移五步算法得到了表面形貌。
1．Mirau 相移干涉轮廓仪
1.1 相移干涉检测原理
相移干涉就是在参考或测量光中引进已知相移量，人为改变两相干光束的相对相位，从干
图 1 Mirau 相移干涉轮廓仪
Fig.1 Mirau phase-shifting interferometry
图 1 是 Mirau 相移干涉轮廓仪，由 Mirau 干涉成像光路和照明光路组成。干涉成像光路包 括 Mirau 干涉物镜和镜筒透镜，相移器 PZT 带动干涉物镜在垂直方向上移动。由于参考面在 Mirau 干涉物镜的内部，则被测面和干涉物镜的距离随着 PZT 的移动而改变，从而改变了两支 光束的光程差，实现了相移干涉。因为干涉物镜移动时，干涉成像系统的成像位置关系应该不 变，且像差不应该变坏，所以干涉物镜和镜筒透镜之间是平行光。照明光路由光源，集光镜， 孔径光阑，视场光阑，聚光镜，滤光片和干涉物镜组成。光源是卤素灯，加了干涉滤光片增大 相干长度。照明光路采用柯拉照明，提供被测面均匀又充足的反射式照明，并且通过改变孔径 光阑的大小改变被测面的光强，改变视场光阑的大小改变被测面的照明范围。照明光路和干涉 成像光路用分束棱镜相连。被测面和参考面形成的干涉条纹，经过干涉物镜到镜筒透镜，被 CCD 接收。CCD 把干涉光信号转化为电信号后通过图像采集卡送到计算机中进行处理。
相移器选用压电陶瓷传感器 PZT(Piezoelectric Transducer)，是闭环电容式反馈控制。
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Source
Aperture stop Field Stop
CCD Lens

Filter
Move
Beam splitter PZT
Interference Objective
Surface
Mirau 相移干涉轮廓仪的具体装置如下，光源采用冷反射定向照明卤素灯，PZT 采用了博 实精密测控有限公司生产的精密定位控制器，位移分辨率达到 1nm，重复定位精度达到 5nm。 CCD 采用了 WAT-902H 型号。
用 Mirau 相移干涉轮廓仪检测了光纤连接器端面。因为端面是光滑的曲面，它和参考面形 成了等厚的干涉条纹，如图 3 所示。PZT 每移动λ/8，就采集一幅干涉图，共采集了 5 幅干涉图， 输入到计算机中进行处理，得到了光纤连接器的三维形貌，如图 4 所示。
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Mirau 干涉物镜的参数如表 1 所示，数值孔径 NA=0.3，放大率β=-10，工作距 5mm，横向 分辨率∆x≥0.887µm ，景深∆=±2.956µm。
表 1 Mirau 干涉物镜的参数
Tab.1 The parameters of Mirau interference objective
Type of interference
Mirau
Numerical aperture
0.3
Magnification (β) -10
Working distance (mm)
5
Lateral resolution (µm)
0.887
Depth of field (µm)
±2.96
3．实验装置及结果
by the Mirau phase-shifting interferometry
ZHANG Hong-xia， ZHANG Yi-mo， JING Wen-cai， ZHOU Ge， LI Zhao-hui，LI Yan College of Precision Instrument & Opto-electronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, P. R. China,
参考文献:
[1] 周明宝，林大键，郭履容，郭永康，微结构表面形貌的测量，光学精密工程，1999, 7(3):7-13 [2] 余贵华，樊瑜瑾，光干涉法显微镜测量三维表面形貌研究，现代机械，1999,3:19-20 [3] A.G.Olszak, J.Schmit,M.G.Heaton, Interferometry: Technology and Application, Veeco Metrology
Objective Lens Supported Plate Reference Surface a Compensate Plate
b
Beam Splitter
Test Surface
图 2 Mirau 干涉物镜
Fig2.Mirau interference Objective
我们设计的 Mirau 干涉物镜的结构如图 2 所示[9]，由物镜和 Mirau 干涉头组成。Mirau 干 涉头中增加了支撑板，它是普通的光学平板，并且它在发生干涉的元件前面，不会引起两支光 路的光程差，则没有严格的表面质量要求。参考面是镀在支撑板中间的铝反射膜，直径和干涉 系统的视场相当。为了平衡光程，增加了补偿板，它和分束板用析光膜胶合。分束板和补偿板 的厚度，面型精度和平行度完全一样。分束板和补偿板的厚度都为 1mm，支撑板的厚度为 1.5mm。 并且通过析光膜的不同的反射/透射率来平衡两支相干光束的光强。Mirau 干涉头对干涉物镜的 光焦度没有贡献，引起的像差用后面的物镜进行补偿。因为物镜前面要放置 Mirau 干涉头，所 以物镜必须是长工作距物镜，而且从干涉物镜中出射的光束应为平行光，则物镜应为筒长无限 的显微物镜。
I3 = I0 (x, y)[1+ Acos(ϕ (x, y))]
(3)
I4 = I0 (x, y)[1+ Acos(ϕ (x, y) + π / 2)]
I5 = I0 (x, y)[1+ Acos(ϕ (x, y) + π )]