光譜共焦技術(shù)在精密幾何量計(jì)量測(cè)試中的應(yīng)用

陳挺，周聞青，盧歆，葉欣，茅振華

(浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，浙江杭州310018)

0 引言

共焦顯微術(shù)的概念首先是由美國的Minsky于1955年提出，其利用共焦原理搭建第一臺(tái)共焦顯微鏡，并于1957年申請(qǐng)了專利［1］。自20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，共焦顯微術(shù)成了研究的熱點(diǎn)，得到快速的發(fā)展。共焦顯微鏡可突破普通光學(xué)顯微鏡的衍射極限，其橫向分辨力為光學(xué)顯微鏡的1.4倍［2］。共焦測(cè)量術(shù)由于其高精度、高分辨率以及易于實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化成像的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、半導(dǎo)體制造、表面工程研究、精密測(cè)量等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［3-5］。

光譜共焦技術(shù)是在共焦顯微術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，其無需軸向掃描，直接由波長對(duì)應(yīng)軸向距離信息，從而大幅提高測(cè)量速度［6］。而基于光譜共焦技術(shù)的傳感器是近年來出現(xiàn)的一種高精度、非接觸式的新型傳感器，精度理論上可達(dá)nm量級(jí)［7］。由于光譜共焦傳感器對(duì)被測(cè)表面狀況要求低，允許被測(cè)表面有更大的傾斜角，測(cè)量速度快，實(shí)時(shí)性高，迅速成為工業(yè)測(cè)量的熱門傳感器，廣泛應(yīng)用于精密定位、薄膜厚度測(cè)量、微觀輪廓精密測(cè)量等領(lǐng)域。

本文在論述光譜共焦技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，列舉了光譜共焦傳感器在幾何量計(jì)量測(cè)試中的典型應(yīng)用，探討共焦技術(shù)在未來精密測(cè)量的進(jìn)一步應(yīng)用，展望其發(fā)展前景。

1 光譜共焦技術(shù)工作原理

光譜共焦位移傳感器使用寬譜光源照射到被測(cè)物體表面，由光譜儀探測(cè)反射回來的光譜，確定完美聚焦于物體表面的峰值波長，從而確定其軸向距離信息，其原理如圖1所示［8-10］。

圖1 光譜共焦傳感器工作原理圖

光源發(fā)出的具有寬光譜的復(fù)色光(如白光)穿過針孔后，近似為點(diǎn)光源。復(fù)色光經(jīng)過分光鏡(半透半反鏡)后，照射在一組色散鏡頭組上。色散鏡頭組將復(fù)色光在光軸方向上分解成不同波長的單色光(λ1，λ2，λ3…)，當(dāng)被測(cè)物體放置在色散鏡頭組像平面附近的測(cè)量區(qū)域時(shí)，所有波長的光被反射回透鏡組后，通過分光鏡的反射面，反射至針孔，由放置在針孔后的光譜儀接收。由于點(diǎn)光源、物體表面某點(diǎn)、光譜儀前的針孔三者相互共軛，只有完美聚焦在被測(cè)物體表面的單色光才可以穿過針孔，由光譜分析儀確定其波長。因?yàn)槊恳粋€(gè)波長都預(yù)先對(duì)應(yīng)于一個(gè)固定的距離值，因此通過確定光譜曲線峰值波長即可推算出對(duì)應(yīng)的精確距離值。

假設(shè)被測(cè)物體表面某點(diǎn)剛好在單色光(λ2)的像點(diǎn)處，而針孔位于色散鏡頭組的焦點(diǎn)處，則此單色光反射反射回針孔時(shí)，形成的像點(diǎn)最小，剛好穿過針孔，此時(shí)光譜儀探測(cè)到的光強(qiáng)最大。針孔作為光闌，不但消除了雜散光，而且擋住了非色散透鏡主焦平面上其他波長的單色光，有效的提高了光譜儀的信噪比，使得光譜共焦探測(cè)系統(tǒng)具有很高的對(duì)比度和清晰度，極高的分辨率，可提供可靠、高精度、可持續(xù)的尺寸測(cè)量。

假設(shè)物體表面與傳感器相對(duì)移動(dòng)，此時(shí)物體表面另外一點(diǎn)剛好處在單色光(λ1)的像點(diǎn)處，則光譜儀探測(cè)到的光譜曲線即為單色光(λ1)的光譜，如圖2所示。通過每次測(cè)量得到不同的波長值，即可推算出物體表面不同點(diǎn)之間的相對(duì)位移值。如果配上三維精細(xì)掃描機(jī)構(gòu)，即可進(jìn)行整體的三維表面輪廓及形貌的精確測(cè)量。

光譜共焦傳感器憑借其獨(dú)特的測(cè)量原理，相比其他傳統(tǒng)的位移傳感器，具有非接觸、體積小、精度高、測(cè)量效率高的特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

圖2 T1，T2不同時(shí)刻光譜儀探測(cè)到的光譜分布示意圖

2 光譜共焦傳感器典型應(yīng)用

2.1 表面粗糙度測(cè)量應(yīng)用

表面粗糙度是指零件在加工過程中由于不同的加工方法、機(jī)床與刀具的精度、振動(dòng)及磨損等因素在工件加工表面上形成的具有較小間距和較小峰谷的微觀水平狀況，是表面質(zhì)量的一個(gè)重要衡量指標(biāo)，關(guān)系零件的磨損、密封、潤滑、疲勞、研和等機(jī)械性能［11］。

表面粗糙度測(cè)量主要可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。觸針式接觸測(cè)量容易劃傷測(cè)量表面、針尖易磨損、測(cè)量效率低、不能測(cè)復(fù)雜表面，而非接觸測(cè)量相對(duì)而言可以實(shí)現(xiàn)非接觸、高效、在線實(shí)時(shí)測(cè)量，而成為未來粗糙度測(cè)量的發(fā)展方向。目前常用的非接觸法主要有干涉法、散射法、散斑法、聚焦法等［12］。而其中聚焦法較為簡(jiǎn)單實(shí)用。

沈小燕等［13］采用光譜共焦位移傳感器，搭建了一套簡(jiǎn)易的測(cè)量裝置，對(duì)膜式燃?xì)獗淼拈y蓋粗糙度進(jìn)行了非接觸的測(cè)量，以此來判斷閥蓋密封性合格與否，取得了一定的效果。林杰俊等［14］基于光譜共焦傳感器，利用其搭建的二維納米測(cè)量定位裝置對(duì)粗糙度樣塊進(jìn)行表面粗糙度的非接觸測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定評(píng)定，得到U95為13.9%。

2.2 輪廓、幾何尺寸測(cè)量應(yīng)用

隨著機(jī)械加工水平的發(fā)展，越來越多的微小復(fù)雜工件需要進(jìn)行輪廓測(cè)量及精密尺寸測(cè)量，如小圓倒角的測(cè)量、小工件內(nèi)壁溝槽尺寸等的測(cè)量。一些精密光學(xué)元件也需要進(jìn)行非接觸的輪廓形貌測(cè)量，以避免接觸測(cè)量時(shí)劃傷光學(xué)表面。這些用傳統(tǒng)傳感器難以解決的測(cè)量難題，均可用光譜共焦傳感器搭建測(cè)量系統(tǒng)以解決。

宋紅滾［15］針對(duì)渦輪盤輪廓度檢測(cè)的問題，利用光譜共焦式位移傳感器實(shí)現(xiàn)渦輪盤輪廓度在線檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。沈小燕等［16］通過自行搭建的二維納米測(cè)量定位裝置，選用光譜共焦傳感器作為測(cè)頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)超精密零件的二維尺寸測(cè)量，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。曹麗等［17］使用激光共焦位移計(jì)，配合二維精密控制微動(dòng)臺(tái)，對(duì)西漢的日光鏡進(jìn)行表面起伏深度的掃描，來探究光鏡反光成像原理。

圖3 超精密二維測(cè)量定位裝置示意圖

預(yù)計(jì)未來，通過3D打印加工的復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)，一些金屬表面的微小損傷，PCB板的平面度測(cè)量等也可基于光譜共焦傳感器配合掃描機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維形貌的高精度測(cè)量。

2.3 薄膜材料厚度測(cè)量應(yīng)用

由于光譜共焦傳感器對(duì)于不同的反射面反射回來的單色光的波長不同，因此對(duì)于材料的厚度精密測(cè)量具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。光學(xué)玻璃、生物薄膜、平行平板等，兩個(gè)反射面都會(huì)反射不同波長的單色光，進(jìn)而只需一個(gè)傳感器，即可推算出厚度，測(cè)量精度可達(dá)微米量級(jí)，且不損傷被測(cè)表面。

朱萬彬等［18］討論了利用光譜共焦位移傳感器測(cè)量透明材料厚度的應(yīng)用，計(jì)算了該系統(tǒng)的測(cè)量誤差范圍大概為0.005 mm。Miks A等［19］提供了利用光譜共焦傳感器對(duì)平行平板的厚度以及光學(xué)鏡頭的中心厚度進(jìn)行測(cè)量的方法，并針對(duì)被測(cè)物體材料的色散對(duì)厚度測(cè)量精度的影響做了理論的分析。Zhou D W等［20］為了探究由流體跌落方式制備的薄膜厚度與跌落模式、雷諾數(shù)、底板的傾斜角度之間的關(guān)系，采用光譜共焦傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控制備后的薄膜厚度，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。馬小軍等［21］利用對(duì)頂安裝的白光共焦傳感器組，實(shí)現(xiàn)了對(duì)厚度為10～100 μm的金屬薄膜厚度及分布的精確測(cè)量，并進(jìn)行了測(cè)量不確定度分析，得到系統(tǒng)的測(cè)量不確定度為0.12 μm左右。

圖4 實(shí)時(shí)測(cè)量薄膜厚度實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 結(jié)論

光譜共焦技術(shù)將軸向距離與波長建立起一套編碼規(guī)則，是一種高精度、非接觸的光學(xué)測(cè)量技術(shù)。基于光譜共焦技術(shù)的傳感器作為一種亞微米級(jí)、快速精確測(cè)量的傳感器，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于表面微觀形狀、厚度測(cè)量、位移測(cè)量、在線監(jiān)控及過程控制等工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域。展望其未來，隨著光譜共焦傳感技術(shù)的發(fā)展，必將在微電子、線寬測(cè)量、納米測(cè)試、超精密幾何量計(jì)量測(cè)試等領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用。

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