一種非接觸式硬碟表面粗糙度測量方法

2023-11-04 02:29:57

專利名稱：一種非接觸式硬碟表面粗糙度測量方法
技術領域：
本發明涉及一種測量技術，特別適用於超精加工表面粗糙度的非接觸測量。
美國ZYGO公司開發的ZAPP系統是一種用於光學波面檢測的移相測量方法，它不僅可以對幹涉圖作靜態自動分析處理，對光波面進行檢測，還可把系統耦接到幹涉儀中作實時處理。但，該系統用於隔振平臺上，對使用環境要求很高，價格昂貴，並且用ZENIOK多項式進行波面擬合計算量很大，費時多。
根據上述現有技術存在的缺點，本發明提供一種用鋸齒波調製相位以實現移相光幹涉，測量計算機硬碟表面粗糙度的方法。
為達到上述目的，本發明採用以下技術方案，用鋸齒波調製相位實現移相法幹涉測量，用電荷耦合固體成象器件掃描接受幹涉圖象，用微型計算機計算掃描各點初相位及微觀輪廓高度，從而測量
13以上，超精加工表面全部國家標準的粗糙度參數，即由鋸齒波驅動壓電陶瓷(PZT)使幹涉顯微鏡的參考反射鏡沿光軸方向產生線性位移和鋸齒波式振動，從而形成線性相位調製，而移相產生的多幅幹涉圖象由電荷耦合固體成象器(CCD線陣)掃描接受採集，其信號送入計算機中處理，最終可得表面粗糙度國家標準的各種參數。各幅幹涉圖象之間的象移步長由時鐘計數電路實現。為達到上述目的，必須確保鋸齒波驅動壓電陶瓷與CCD圖象採集同步工作。如圖1所示，本發明方法由改裝的幹涉顯微鏡、鋸齒波相位調製系統，CCD驅動及圖象採集系統及包括顯示、列印單元的計算組成。其中幹涉顯微鏡的改裝分兩個部分，一是參考反射鏡(12)的調整部分，將參考反射鏡粘接在圓筒形的壓電陶瓷(13)端部，再通過絕緣材料固定在反射鏡座上。利用機械結構的調節部分，實現反射鏡法線方向的調整及參考光路光程與測量光路光程的匹配。另一部分是攝影部分，卸去幹涉顯微鏡的照相物鏡(19)，使觀察目視系統與成象攝影系統具有同樣放大倍率，提高成象處的光能密度，把電荷耦合成象器件CCD線陣(21)置於與目視分劃板(16)相對應的位置上，保證被測物(9)成一個清晰的象在成象器件(21)上，同時摒棄固定反射鏡(20)和照相機(18)。由於從被測物(9)和成象器件CCD陣線(21)等光程附近反射回的兩束光以極小角度相交，在這個象上將調製上一組清晰的幹涉條紋。當角度小到弧秒量級時，其條線寬度可達到整個視場的尺度。當鋸齒波相位調製器(23)工作時，壓電陶瓷PZT(13)將按鋸齒波方式伸縮，使幹涉場中的每一個點的光程差都發生一個鋸齒波型的變化，即相干光的相位差形成如圖2(a)所示的鋸齒波調製。由於幹涉光場光強與相位差ψ之間為如圖2(b)所示的餘弦關係。這種鋸齒調製使每一個點的光強變化也形成如圖2(a)所示的分段餘弦曲線。例如，t1時刻對應的鋸齒波調製相位差為ψ1，而ψ1對應相干光強為I(ψ1)，從而可由此找到在I-t曲線(圖2(a))上t1對應的I(t1)＝I(ψ1)的點，依次類推，有I(t2)、I(t3)……，最後得到I-t曲線。由於鋸齒波兩段ψ-t曲線都是直線，因此I-t曲線必然為分段餘弦曲線，只不過兩段頻率不同，圖2(b)所示I-ψ曲線是初位相差為零的，相干光疊加結果，對初相位不為零的情況，相應導出的I-t曲線將有一個平移，從而確定與表面輪廓有確定關係的初相位。由圖2還可看出，除鋸齒波調製外的任何形式都因其非線性而造成I-t關係一定不是準確的餘弦關係，因此就會帶來非線性誤差，這也是我們提出鋸齒波相位調製方法的基本觀點。第三部分CCD線陣的驅動與圖象採集系統被用於測量被調製光強周期性變化，線陣上共有3048個象素，相鄰象素中心間隔14μ，對應著被測表面橫向解析度可達0.88μ。從理論上講，計算出正弦波形初相位只需要測量曲線上三個點。但作為能量測量，某個時刻的光強對應該時刻光能是不可能測出來的。實際上是把一個周期的光強變化分為若干個區段分別積分進行測量。對應不同的算法、劃分區段多少和長距都不一樣。但無論對於那一種算法，都必須使鋸齒波調製與CCD圖象採集同步，保證每一組採集數據都處於同一個鋸齒波的上升段，而不跨越兩個波形。相移和相移步長由時鐘針數電路實現。採集到的圖象數據以DMA方式傳入計算機的內存。軟體系統設計了三種計算方法用來進行初相位計算，以期得到表面微觀輪廓高度，進而由表面輪廓計算出各種國家標準規定的表面粗糙度參數，其結果可以用顯示或列印兩種方式輸出。三種相位計算的基本公式為(一) (π)/2 為步距的三塊算法。三次積分區間為〔O， (T)/8 〕，〔 (T)/8 ， 3/8 T〕，〔 3/8 T， 5/8 T〕，其中T為圖2中所示周期。相位計算公式為φ(χ)＝tan-1［ (S(x,3)-S(x,2))/(S(x,1)-S(x,2)) ］式中S(x，i)，i＝1，2，3，為CCD線陣上x點三次積分的光能。
由於正切函數周期為π，還需由下式判斷實際相位2]]>S(x，1)Sinψ(x)＝I(x，3)-I(x，2)
S(x，1)Cosψ(x)＝I(x，1)-I(x，2)(二) 2/3 π為步距的三塊算法，三次積分區間為〔O， (T)/3 〕，〔 (T)/3 ， 2/3 T〕，〔 2/3 T，T〕。相位計算公式為ψ(x)＝tan-113]]>(2S(x，1)-S(x，2)-S(x，3))/(S(x，2)-S(x，3)) 〕判斷公式為3]]>S(x，1)Sinψ(x)＝2S(x，1)-S(x，2)-S(x，3)
S(x，1)Cosψ(x)＝S(x，2)-S(x，3)(三) (π)/2 為步距的四塊算法，四次積分區間為〔O， (T)/4 〕，〔 (T)/4 ， (T)/2 〕，〔 (T)/2 ， 3/4 T〕，〔 3/4 T，T〕，相位計算公式為ψ(x)＝tan-1〔 (S(x，4)-S(x，3))/(S(x，1)-S(x，3)) 〕判斷公式為2]]>2S(x，1)Sinψ(x)＝S(x，4)-S(x，2)2]]>2S(x，1)Cosψ(x)＝S(x，1)-S(x，3)本方法具有以下優點(一)該方法可方便地用於改造現在企事業部門大量擁有的光學幹涉顯微鏡，保持其穩定性好，使用條件不高的優點，並使之智能化，提高測量精度及效率，滿足計算機硬碟表面測量的需要。(二)用鋸齒波驅動壓電陶瓷可以消除正弦相位調製的非線性影響和高頻濾波誤差，同時還可避免壓電陶瓷電致伸縮的滯後現象的影響，提高連續相移測量的精度。(三)可以避免單步(多步)不連續相位測量技術對移相角精度的高要求，避免不連續測量所需要的較長測量時間引入的環境影響誤差，隨機誤差也能得以減少。


如下圖1為硬碟表面粗糙度鋸齒波移相法測量系統圖。圖中的幹涉顯微鏡包括燈泡(1)、聚光鏡(2)、濾光片(3)、孔徑光闌(4)、視場光闌(5)、準直鏡(6)、分光鏡(7)、物鏡(8)，它對準被測物(9)，還有補償板(10)、物鏡(11)、目視成象透鏡(14)、目鏡(15)、分劃板(16)和可移動反射鏡(17)等部分組成。幹涉顯微鏡正對參考射鏡(12)，參考反射鏡(12)固定聯結於壓電陶瓷PZT(13)一端，它們與鋸齒波調製器(23)相接，幹涉圖象由成象器CCD線陣(31)和圖象採集系統(22)掃描接受收集，其信號送入微型計算機(24)處理，其結果由顯示器(25)和印表機(26)完成。
圖2(a)為幹涉場中某一點相位差為鋸齒波調製，圖2(b)為幹涉場光強與相位關係曲線圖2(c)為導出光強隨時間變化曲線。
權利要求
1.一種非接觸式計算機硬碟表面粗糙度測量方法，其特徵為用鋸齒波調製相位實現移相法幹涉測量，用電荷耦合固體成象器件掃描接受幹涉圖象，用微型計算機計算掃描各點初相位及微觀輪廓高度，從而測量
12以上超精加工表面全部國家標準的粗糙度參數，即由鋸齒波驅動壓電陶瓷(PZT)使幹涉顯微鏡的參考反射鏡沿光軸方向產生線性位移和鋸齒波式振動，從而形成線性相位調製，而移相產生的多幅幹涉圖象由電荷耦合固體成象器CCD陣線掃描接受採集，其信號送入計算機中處理。最終可得被測表面粗糙度國家標準的各種參數，各幅幹移圖象之間的象移步長由時鐘計數電路實現，為達到上述目的，必須確保鋸齒波驅動壓電陶瓷與成象器CCD線陣圖象採集同步工作。
全文摘要
非接觸式硬碟表面粗糙度測量方法特別適用於超精加工表面粗糙度非接觸測量，該方法用鋸齒波調製相位實現移相法幹涉測量，用電荷耦合固體成象器件掃描接受幹涉圖象，用微型計算機計算掃描各點初相位及微觀輪廓高度，從而測量被測表面12以上全部國家標準的粗糙度參數。
文檔編號G01B11/30GK1069804SQ9110589
公開日1993年3月10日 申請日期1991年8月20日 優先權日1991年8月20日
發明者陳家壁, 張正澤, 王菊香, 仉漿銘, 姚彩仙, 李 柱 申請人:華中理工大學