鏡面平整度的美爾條紋測試方法及其裝置的製作方法
2023-06-10 14:57:21 1
專利名稱：鏡面平整度的美爾條紋測試方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於物理學輪廓測量中以光學方法為特徵的輪廓計量方法和裝置。
莫爾輪廓測量法1970年見諸於文獻報導(參閱〔1〕D.M.MeadowsAppliedOptics，Vol9，No.4，(1970)，942)，它的一個顯著的特徵是只適用於表面具有足夠漫反射性能的物體，在某些場合需要採取一些輔助手段來增加被測物體的漫反射性能，以提高檢測效果。
對於反射率較高的鏡面物體，採用一般的莫爾輪廓測量技術無法觀察到莫爾輪廓條紋。在力學實驗中，雖然也有反射莫爾法的報導(參閱〔2〕ReinholdRitterAppliedEngineeringVol21，NO.4，(1982)663。〔3〕R.RitteretExperimentalMechanics，Vol23，NO.4(1983)165。)，但是都是以平鏡面為試件，用以測量試件變形前後的斜率變化，而不是直接求出其輪廓形狀。
高精度鏡面的平整度測試，在傳統上都是利用光波幹涉原理，近年來隨著莫爾技術的發展，也有用光柵來檢測鏡面平面性的技術(參閱〔4〕W，JaerischandG.MakoschAppliedOptics，Vol17，NO.5，(1978)740。〔5〕J.MotyckaExperimentalMechanics，Vol15，NO.7，(1975)279。)，但是這類技術都基於幹涉原理，所以儀器中所用光學元件全都需要達到光學波長級的精度，而且需要大口徑準直系統，製成的儀器就會顯得較為複雜和價格昂貴。
本發明提供了一種簡便而有效的方法，只需要一塊相當精度的特殊的平面光柵，就可以象通常光學加工中看牛頓環的方法那樣，直接檢測鏡面的平面性。選用不同的光柵密度和掠射觀察角可以方便地調整靈敏度，以適應於測量不同精度級別的被測試件。利用本方法設計的裝置，可以把半導體工業用的矽片、掩膜板及家用冰箱壓縮機中的閥片等輕而又薄的平鏡面放於光柵支承點上，讓其處於自由放置狀態，觀測它與支承點接觸一側的全場的面型平整度。
圖1是鏡面莫爾輪廓法的光學原理圖。光源S2和乳白色(或有色)玻璃M1組成面光源，光源S3和漫反射表面M2組成面光源的另一種型式。S1是一般莫爾輪廓法中所用的點光源。E是成象物鏡或觀測者的眼睛。G是光柵。W是被測鏡面。G′是由E點觀察時光柵G在鏡面W中的虛象光柵。m是鏡面上的被觀察點，l2是該點的法線，l1是由該點出射到觀察點E的光線，l3是由面光源來的入射到m點的光線。
圖2是用掠射式鏡面莫爾輪廓法觀察左右傾斜平鏡面時的光學原理圖。E點是觀察點。G是光柵。W是被測鏡面。m是被測鏡面上一點，l2是該點的法線，l1是由該點出射到觀察點E的光線，l3是由面光源來的射向m點的光線。
圖3是用一般的鏡面莫爾輪廓法觀察前後傾斜平鏡面時的光學原理圖。其中E是觀察點。G是光柵。W是被測鏡面。m是被測鏡面上的點，l1是由該點出射到觀察點的光線，l2是該點的法線，l3是由面光源來的入射到m點的光線。
圖4是利用本方法所設計的鏡面平整度測試裝置。光源〔1〕和乳白色(或有色)玻璃〔3〕組成面光源。光源〔2〕和漫反射表面〔4〕組成面光源的另一種型式。〔5〕是測試鏡面用的光柵。〔6〕、〔8〕是反射鏡。〔7〕是成象物鏡。〔9〕是成象屏。〔10〕是被測試件。取掉物鏡〔7〕，把成象屏〔9〕改成觀察窗口，測試者即可從〔9〕向裡直接觀察被測試件表面的反映其面型誤差的鏡面莫爾輪廓條紋。
本發明的理論依據是，光柵和鏡面接近式地平行配置，利用光柵和它在鏡面中的虛象光柵之間的疊合而產生的鏡面莫爾輪廓條紋。
通常的莫爾輪廓法由點光源S1，攝影物鏡E及光柵G三者組成(圖1)。當被測試件W不是漫反射體而是具有較高反射率的鏡面時，由點光源S1發出的光線照射到光柵G後，鏡面試件W的表面不會形成光柵陰影，也就無法看到通常的莫爾輪廓條紋。
在圖1所示的鏡面W中有光柵G的虛象G′，而此虛象的形狀必然被鏡面W的表面形狀所調製，所以在E點觀察到的G和G′疊合所形成的莫爾條紋中，必然包含了鏡面W的輪廓形狀信息。為了能通過觀察點E觀察到光柵G和虛象G′之間相互疊合所形成的莫爾條紋，鏡面上每一點在反射到觀察點E的同時，必須有相應的符合反射定律的入射光線射向該點，即需要有一塊面光源，如圖1中光源S2和乳白色(或有色)玻璃M1組成的面光源，或是光源S3和漫反射表面M2所組成的面光源。
從觀察點E處看，光柵上某一點A3在鏡面中的虛象位置是由反射定律決定的(圖1)，所以鏡面莫爾輪廓條紋(由光柵柵線與它在鏡面中的虛象柵線間的疊合而成的莫爾條紋)的具體位置應在鏡面輪廓表面逐點地用反射定律求解。
在圖1中建立座標系。讓xoy平面和光柵柵線平面重合，並把垂直柵線的方向定為X軸，與柵線平行的Y軸垂直紙面而出，Z軸通過觀察點E。光柵平面的方程是
Z＝0……(1)鏡面上任意一點m與觀察點E之間的連線l1是該點的出射光線，作鏡面上m點的法線方向l2，讓入射角和出射角相等可以作出入射光線l3。l1和l3分別通過光柵面上的A1和A3點，求出它們在X座標軸上的值X1和X3，則在E點所觀察到的m點的莫爾條紋級次N＝(X3-X1)/P。這裡P是光柵的柵距。
反射光線l1經過鏡面上一點m(Xm、Ym、Zm)和觀察點E(O、O、L)，l1的直線方程為(X)/(Xm) = (Y)/(Ym) = (Z-L)/(Zm-L) =t1……(2)設被測曲面為F(X、Y、Z)＝0，則此曲面上m點的方向導數為
，即可得m點的法線方程
把被測點m的出射光線l1和法線l2分別寫成矢量
1和單位矢量
02的形式，即
設入射光線l3的矢量為
根據矢量反射
即
應用上式求
3的方向數C時必須注意，在這裡因
3和
1方向相反，所以在確定
02的方向時，必須使
02和
1的方向相逆。
矢量
3同樣通過鏡面上的一點m(Xm、Ym、Zm)，可求得l3的直線方程(X-Xm)/(C1) = (Y-Ym)/(C2) = (Z-Zm)/(C3) =t3……(4)聯列式(1)和(2)可得出射光線l1和基準光柵平面(Z＝0)的交點A1(X3，Y3，Z3)。根據莫爾條紋的序數方程的原理，第N級次的莫爾條紋即為(X3-X1)＝NP……(5)這裡P是光柵的柵距。
根據上述理論，可以推算出任何已知面型鏡面的鏡面莫爾輪廓條紋的數學表達式如圖2狀的左右傾斜的平鏡面，它和光柵平面間的夾角為α，觀察點E與Z軸間的距離為d，與光柵面間的距離為L。這類鏡面的鏡面莫爾輪廓條紋為一簇與Y軸(即光柵柵線方向)平行的直線，從斜鏡面和光柵交點(即所設的座標原點)算起的莫爾條紋序數為N的X軸座標值XN的計算式為(NP)/(ZN) = (2(L-ZN)(d+XN)cos2α+[(L-ZN)2-(d+XN)2]sin2α)/([(d+XN)sin2α-(L-ZN)cos2α](L-ZN)) ……(6)式中ZN為第N級次條紋所對應的鏡面輪廓上一點m的Z軸座標值。
圖3中前後傾斜的平鏡面W與光柵平面G之間的夾角為α，觀察點E與光柵面間的距離為L，此斜鏡面所形成的鏡面莫爾輪廓條紋是一簇曲線，其Y軸和X軸分別是此曲線簇的漸近線。同樣根據前述的推算原理可得，從X(或Y)軸算起的莫爾條紋序數為N的條紋的座標值XN和YN的關係式如下XN=NP〔L c o s 2 αL c o s 2 α - YNt g α-LL + YNt g α〕……]]>(7)本發明的特徵在於掠射式地觀測光柵和它在鏡面中的虛象光柵之間疊合而形成的鏡面莫爾輪廓條紋。就圖2狀的具體情況，即d值取得較大而L值選得較小。為了檢測鏡面平整度，總是使被測試件和光柵平面平行放置，即α角總是極小的。以極限情況α＝0來看，公式(6)可以簡化為(d+XN)＝(ZN-L)NP/2ZN考慮到具體情況ZN＜＜L，又d+XN＝D(見圖2)，上式可近似寫成D＝-LNP/2ZN上式中由於ZN值方向和Z座標軸相反，所以實際運算時ZN應以負值代入，所得到的D值仍如圖2所示為正值。設a為平鏡面和光柵平面間的間隙，不考慮座標方向，則上式又可改寫為D＝LNP/2a……(8)這裡L是觀察點E和光柵G之間的垂直距離，P是光柵柵距，N是從觀察點E和光柵面間的垂足算起莫爾條紋序數。這時形成的莫爾條紋寬度ω＝L(N+1)P/2a-LNP/2a＝LP/2a。
當光柵和鏡面之間的間隙由a變為a′時，則鏡面上m點的條紋位置移到了D′＝LNP/2a′處，移動的距離△D＝D′-D(a/a′-1)。若把莫爾條紋的移動量△D和莫爾條紋寬度ω之比ε＝△D/ω稱之為靈敏度，則ε＝△D/ω＝2D·△a/LP……(9)以上分析的是以左右傾斜平鏡面為例，在傾斜角α→0時由(6)式推算出來的結果，說明間隙a略有變化，條紋在X座標方向會有明顯位移。下面分析前後傾斜的平鏡面(圖3)，當傾斜角α很小時間隙a變化而引起的條紋位移情況。
從圖3看出，(7)式中的YNtgα＝ZN，即為鏡面輪廓與光柵平面之間的距離-間隙。化簡(7)式得LXN=NP( (L2cos2α-LZNsin2α-Z2N)/(2ZNcos2α) )上式中Z2N＜＜L2cos 2α，略去之並進一步化簡後可得ZN= (LNPcos2α)/((2XN+NPtg2α)cos2α) ……(10)式ZN= (LNP)/(2XN) ……(11)說明平鏡面若如圖3那樣傾斜，但傾斜角α很小，而且又採用掠射式觀察時，則在XN較大區域內看到的將是一條條與光柵柵線方向相垂直的直線。條紋所呈現出的輪廓間隙ZN和條紋級次N成正比。
綜上所述，實際的面型誤差不一定是剛好僅在X軸(或Y軸)方向發生傾斜，所以在具體測試時會出現各種形狀的鏡面莫爾輪廓條紋。根據條紋的傾斜方向和間距可以判斷出面型誤差的大小，根據改變掠射觀察角時條紋的移動方向可以判別面型誤差的凹凸。
利用本方法所設計的裝置可以方便地用於薄壁鏡面的非接觸(或點、面接觸)測量。其特徵在於如圖4所示具有面光源〔1〕～〔4〕，光柵測量臺〔5〕及成象判讀系統〔6〕～〔9〕。把被測試件的待測表面面向光柵並與光柵測量臺的支承接觸，在成象屏〔9〕上就可看到試件待測表面上的以非基準平行線特徵的條紋所反映的面形誤差。
圖4裝置中的面光源可為普通光源〔1〕(白熾燈、螢光燈等均可)及透射式的乳白色(或有色)玻璃〔3〕，在某些間隙情況下，採用有色的漫透射光源可以提高條紋的清晰度;面光源也可以採用圖4中的普通光源〔2〕及均勻的漫反射體〔4〕。〔5〕為光柵，〔6〕、〔8〕是反射鏡，〔7〕是成象鏡頭，〔9〕為成象及觀測屏，〔10〕是被測試件，〔11〕是遮光板。取掉成象屏〔9〕，在成象物鏡〔7〕後再配置一個帶有分劃板的目鏡組即構成目視式觀測。取掉成象物鏡〔7〕把成象屏〔9〕改為觀察窗口即組成用眼睛直接觀察的形式，結構將最為簡單。
光柵測量臺〔5〕上必須設置一個與被測試件表面保持恆定間隙的裝置，即建立一個光柵柵線面與被測試件表面間的間隙基準。其形式有如下幾種，可供不同情況下使用。
1.在圖4中的光柵測量臺〔5〕上，光柵的柵線面向下，在其光柵的待測區域(放待測試件區域)外緣玻璃上(這一面無光柵柵線)可塗上一層反射膜，這時即以光柵玻璃片基本身的厚度作為間隙基準。
2.在圖4中的光柵測量臺〔5〕上，光柵的柵線面向上，光柵柵線面上可粘上一塊等厚的玻璃片，並在其待測區域外緣塗上一層反射薄膜，這時即以粘上的等厚的玻璃片作為間隙基準。
3.在圖4中的光柵測量臺〔5〕上，光柵的柵線面向上，在光柵柵線面的待測區域可粘上三塊等厚的支承小塊。被測試件直接放於這三塊支承小塊上，支承小塊的厚度即作為間隙基準。
4.在圖4中的光柵測量臺〔5〕上，光柵的柵線面向上，在光柵柵線面的待測區域外端可安置三個可微調並能鎖緊的支承凸緣，被測試件直接放於這三個支承上，微調機構可保證支承磨損後仍能調整到要求的間隙標準。
在上面四種間隙標準中，把1、2二種光柵放於測量臺〔5〕上，這時在成象屏〔9〕(或目鏡的分劃板)上，在光柵玻璃的塗過反射膜的區域將出現一簇與柵線平行的條紋，這即是測量試件的誤差的定標基準。
以上述3、4二種方法作為間隙基準時，可以在成象屏〔9〕(或目鏡的分劃板)上刻劃出一簇作為測量基準的平行線，它可以ω＝LP/2a計算，也可以用平晶實際測定後繪製。
本發明所提供的方法，既保持了莫爾輪廓法的裝置簡單、靈敏度易調、價格便宜等優點，又拓寬了莫爾輪廓法的應用範圍使之能用於測量鏡面。用掠射式觀察鏡面莫爾輪廓條紋提高了測量精度，使之在不需要幹涉系統的光路，省卻幹涉系統所要求的一系列高精度光學元件的前提下，可以達到微米級的精度，滿足了測量半導體工業用矽片及冰箱用壓縮機閥片等的鏡面平面性的精度要求。特別是在面型誤差接近0.01毫米的場合，利用幹涉測量法往往因幹涉條紋過多而顯得不便，而用本法總可以設計出對應靈敏度的儀器，使之在被測試件表面上呈現出適當的條紋數而便於判讀。
權利要求
1.一種測量物體表面輪廓高差的莫爾輪廓測量方法，其特徵在於讓光柵和鏡面接近式地平行配置，掠射式地觀測光柵和它在鏡面中的虛象光柵間的疊合而產生的鏡面莫爾輪廓條紋。
2.一種利用測量物體表面輪廓高差的莫爾輪廓測量方法的裝置，其特徵在於它具有面光源、光柵測量臺及成象系統。
3.根據權利要求2所述的一種利用測量物體表面輪廓高差的莫爾輪廓測量方法的裝置，其特徵在於所說的面光源是普通的光源〔1〕和透射的乳白色(或有色)玻璃〔3〕;或是普通光源〔2〕及漫反射表面〔4〕(見附圖4)。
4.根據權利要求2所述的一種利用測量物體表面輪廓高差的莫爾輪廓測量方法的裝置，其特徵在於所說的光柵測量臺在其光柵的待測區域外緣，無光柵柵線的一側面塗上一層反射薄膜;或在光柵柵線的一側面粘一層等厚的玻璃，然後在此玻璃的待測區域外緣塗上一層反射薄膜;或在光柵柵線的待測區域粘上三塊等厚的支承小塊;或在光柵柵線面的待測區域外端安置三個可微調並能鎖緊的支承凸緣。
5.根據權利要求2所述的一種利用測量物體表面輪廓高差的莫爾輪廓測量方法的裝置，其特徵在於所說的成象系統，其成象屏〔9〕(或目鏡分劃板)上刻劃有作為測量基準的一簇平行線。
全文摘要
鏡面平整度的莫爾條紋測試方法及裝置，其特點是讓光柵和鏡面接近式地平行配置，掠射式地觀察光柵與它在鏡面中的虛象光柵間的疊合而形成的莫爾條紋。利用本發明設計的裝置，它具有面光源，光柵測量臺，及成象系統。可以把半導體工業用的矽片、掩膜板及家用冰箱壓縮機閥片等放於光柵測量臺的支承點，或面上，讓其處於自由放置狀態，觀測它與支承點接觸一側的面型平整度。精度可達微米級。
文檔編號G01B11/30GK1030641SQ87104789
公開日1989年1月25日 申請日期1987年7月10日 優先權日1987年7月10日
發明者袁玉麟 申請人:浙江大學