超精密加工表面微觀形貌的光學(xué)測(cè)量方法
一、概述 5>~q4t)6z}
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機(jī)械零件的表面加工質(zhì)量不僅直接影響零件的使用性能，而且對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性及壽命也至關(guān)重要。隨著超精密加工技術(shù)的飛速發(fā)展，超精密加工表面的微觀形貌測(cè)量已成為超精密加工領(lǐng)域中亟待解決的關(guān)鍵課題。 BDPF>lPf<
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超精密加工表面極為光滑，表面粗糙度Ra值在幾分之一納米到十幾納米之間。加工超光滑表面的材料主要有光學(xué)玻璃、有機(jī)玻璃、石英玻璃等光學(xué)材料，鍺、硅等半導(dǎo)體材料及銅、鋁等金屬材料。表面微觀形貌測(cè)量的傳統(tǒng)方法是機(jī)械觸針?lè)ǎ摲椒ǹ赏ㄟ^(guò)觸測(cè)直接獲得被測(cè)表面某一截面的輪廓曲線，經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，可得到接近真實(shí)輪廓的各種表面特征參數(shù)。雖然該類儀器具有較高分辨率及較大量程（如Talystep觸針式輪廓儀分辨率可達(dá)0.1nm，測(cè)量范圍可達(dá)100μm），但由于測(cè)量時(shí)尖銳的金剛石觸針極易劃傷被測(cè)樣件的超光滑表面并引起測(cè)量誤差，因此其在超精密表面測(cè)量中的應(yīng)用受到一定限制。近年來(lái)，掃描隧道顯微鏡（STM）及其衍生物原子力顯微鏡（AFM）的出現(xiàn)，使表面微觀輪廓測(cè)量技術(shù)發(fā)生了革命性變革。該類儀器不但具有可達(dá)原子尺度的超高分辨率（橫向分辨率0．1nm，垂直分辨率0．01nm），還能獲得關(guān)于被測(cè)表面原子結(jié)構(gòu)及功能特性的大量信息。但STM和AFM對(duì)測(cè)量環(huán)境要求苛刻，需要采取良好的隔振措施和配備復(fù)雜的傳感器運(yùn)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)，且儀器價(jià)格昂貴，測(cè)量范圍也較小，在實(shí)際應(yīng)用中還需解決精密隔振技術(shù)、壓電陶瓷的控制等技術(shù)難題。自1960年激光器問(wèn)世以來(lái)，由于激光具有單色性、相干性和方向性好、光強(qiáng)度高等特點(diǎn)，很快成為精密光學(xué)測(cè)量的理想光源，各種類型的激光干涉儀均以真空中的激光波長(zhǎng)作為長(zhǎng)度測(cè)量基準(zhǔn)。主要采用激光作為測(cè)量光源的表面微觀形貌光學(xué)測(cè)量方法不僅能實(shí)現(xiàn)高精度的快速非接觸測(cè)量，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，因此在超精密表面非接觸測(cè)量領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。目前較為成熟的光學(xué)測(cè)量方法主要有差頻法、掃描法、干涉法、衍射法等，同時(shí)一些新的方法正在研究開發(fā)之中。下面介紹幾種較為典型的光學(xué)測(cè)量方法。 #v:A-u
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