CN1069804A

CN1069804A - 一种非接触式硬盘表面粗糙度测量方法

Info

Publication number: CN1069804A
Application number: CN 91105893
Authority: CN
Inventors: 陈家壁; 张正泽; 王菊香; 仉浆铭; 姚彩仙; 李�柱
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 1991-08-20
Filing date: 1991-08-20
Publication date: 1993-03-10

Abstract

非接触式硬盘表面粗糙度测量方法特别适用于超精加工表面粗糙度非接触测量，该方法用锯齿波调制相位实现移相法干涉测量，用电荷耦合固体成象器件扫描接受干涉图象，用微型计算机计算扫描各点初相位及微观轮廓高度，从而测量被测表面12以上全部国家标准的粗糙度参数。

Description

本发明涉及一种测量技术，特别适用于超精加工表面粗糙度的非接触测量。

美国ZYGO公司开发的ZAPP系统是一种用于光学波面检测的移相测量方法，它不仅可以对干涉图作静态自动分析处理，对光波面进行检测，还可把系统耦接到干涉仪中作实时处理。但，该系统用于隔振平台上，对使用环境要求很高，价格昂贵，并且用ZENIOK多项式进行波面拟合计算量很大，费时多。

根据上述现有技术存在的缺点，本发明提供一种用锯齿波调制相位以实现移相光干涉，测量计算机硬盘表面粗糙度的方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案，用锯齿波调制相位实现移相法干涉测量，用电荷耦合固体成象器件扫描接受干涉图象，用微型计算机计算扫描各点初相位及微观轮廓高度，从而测量

13以上，超精加工表面全部国家标准的粗糙度参数，即由锯齿波驱动压电陶瓷（PZT）使干涉显微镜的参考反射镜沿光轴方向产生线性位移和锯齿波式振动，从而形成线性相位调制，而移相产生的多幅干涉图象由电荷耦合固体成象器（CCD线阵）扫描接受采集，其信号送入计算机中处理，最终可得表面粗糙度国家标准的各种参数。各幅干涉图象之间的象移步长由时钟计数电路实现。为达到上述目的，必须确保锯齿波驱动压电陶瓷与CCD图象采集同步工作。如图1所示，本发明方法由改装的干涉显微镜、锯齿波相位调制系统，CCD驱动及图象采集系统及包括显示、打印单元的计算组成。其中干涉显微镜的改装分两个部分，一是参考反射镜（12）的调整部分，将参考反射镜粘接在圆筒形的压电陶瓷（13）端部，再通过绝缘材料固定在反射镜座上。利用机械结构的调节部分，实现反射镜法线方向的调整及参考光路光程与测量光路光程的匹配。另一部分是摄影部分，卸去干涉显微镜的照相物镜（19），使观察目视系统与成象摄影系统具有同样放大倍率，提高成象处的光能密度，把电荷耦合成象器件CCD线阵（21）置于与目视分划板（16）相对应的位置上，保证被测物（9）成一个清晰的象在成象器件（21）上，同时摒弃固定反射镜（20）和照相机（18）。由于从被测物（9）和成象器件CCD阵线（21）等光程附近反射回的两束光以极小角度相交，在这个象上将调制上一组清晰的干涉条纹。当角度小到弧秒量级时，其条线宽度可达到整个视场的尺度。当锯齿波相位调制器（23）工作时，压电陶瓷PZT（13）将按锯齿波方式伸缩，使干涉场中的每一个点的光程差都发生一个锯齿波型的变化，即相干光的相位差形成如图2（a）所示的锯齿波调制。由于干涉光场光强与相位差ψ之间为如图2（b）所示的余弦关系。这种锯齿调制使每一个点的光强变化也形成如图2（a）所示的分段余弦曲线。例如，t₁时刻对应的锯齿波调制相位差为ψ₁，而ψ₁对应相干光强为I（ψ₁），从而可由此找到在I-t曲线（图2（a））上t₁对应的I（t₁）＝I（ψ₁）的点，依次类推，有I（t₂）、I（t₃）……，最后得到I-t曲线。由于锯齿波两段ψ-t曲线都是直线，因此I-t曲线必然为分段余弦曲线，只不过两段频率不同，图2（b）所示I-ψ曲线是初位相差为零的，相干光叠加结果，对初相位不为零的情况，相应导出的I-t曲线将有一个平移，从而确定与表面轮廓有确定关系的初相位。由图2还可看出，除锯齿波调制外的任何形式都因其非线性而造成I-t关系一定不是准确的余弦关系，因此就会带来非线性误差，这也是我们提出锯齿波相位调制方法的基本观点。第三部分CCD线阵的驱动与图象采集系统被用于测量被调制光强周期性变化，线阵上共有3048个象素，相邻象素中心间隔14μ，对应着被测表面横向分辨率可达0.88μ。从理论上讲，计算出正弦波形初相位只需要测量曲线上三个点。但作为能量测量，某个时刻的光强对应该时刻光能是不可能测出来的。实际上是把一个周期的光强变化分为若干个区段分别积分进行测量。对应不同的算法、划分区段多少和长距都不一样。但无论对于那一种算法，都必须使锯齿波调制与CCD图象采集同步，保证每一组采集数据都处于同一个锯齿波的上升段，而不跨越两个波形。相移和相移步长由时钟针数电路实现。采集到的图象数据以DMA方式传入计算机的内存。软件系统设计了三种计算方法用来进行初相位计算，以期得到表面微观轮廓高度，进而由表面轮廓计算出各种国家标准规定的表面粗糙度参数，其结果可以用显示或打印两种方式输出。三种相位计算的基本公式为：（一） (π)/2 为步距的三块算法。三次积分区间为〔O， (T)/8 〕，〔 (T)/8 ， 3/8 T〕，〔 3/8 T， 5/8 T〕，其中T为图2中所示周期。相位计算公式为

φ（χ）＝t^an-1［ (S(x,3)-S(x,2))/(S(x,1)-S(x,2)) ］

式中S（x，i），i＝1，2，3，为CCD线阵上x点三次积分的光能。

由于正切函数周期为π，还需由下式判断实际相位：

\sqrt{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为步距的三块算法，三次积分区间为〔O， (T)/3 〕，〔 (T)/3 ， 2/3 T〕，〔 2/3 T，T〕。相位计算公式为：

ψ（x）＝tan^-1

\frac{1}{\sqrt{3}}

(2S（x，1）-S（x，2）-S（x，3）)/(S（x，2）-S（x，3）) 〕

判断公式为：

\sqrt{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 为步距的四块算法，四次积分区间为〔O， (T)/4 〕，〔 (T)/4 ， (T)/2 〕，〔 (T)/2 ， 3/4 T〕，〔 3/4 T，T〕，相位计算公式为

ψ（x）＝tan^-1〔 (S（x，4）-S（x，3）)/(S（x，1）-S（x，3）) 〕

判断公式为：

\sqrt{2}

2S（x，1）Sinψ（x）＝S（x，4）-S（x，2）

\sqrt{2}

2S（x，1）Cosψ（x）＝S（x，1）-S（x，3）

本方法具有以下优点：（一）该方法可方便地用于改造现在企事业部门大量拥有的光学干涉显微镜，保持其稳定性好，使用条件不高的优点，并使之智能化，提高测量精度及效率，满足计算机硬盘表面测量的需要。（二）用锯齿波驱动压电陶瓷可以消除正弦相位调制的非线性影响和高频滤波误差，同时还可避免压电陶瓷电致伸缩的滞后现象的影响，提高连续相移测量的精度。（三）可以避免单步（多步）不连续相位测量技术对移相角精度的高要求，避免不连续测量所需要的较长测量时间引入的环境影响误差，随机误差也能得以减少。

附图说明如下：

图1为硬盘表面粗糙度锯齿波移相法测量系统图。图中的干涉显微镜包括灯泡（1）、聚光镜（2）、滤光片（3）、孔径光阑（4）、视场光阑（5）、准直镜（6）、分光镜（7）、物镜（8），它对准被测物（9），还有补偿板（10）、物镜（11）、目视成象透镜（14）、目镜（15）、分划板（16）和可移动反射镜（17）等部分组成。干涉显微镜正对参考射镜（12），参考反射镜（12）固定联结于压电陶瓷PZT（13）一端，它们与锯齿波调制器（23）相接，干涉图象由成象器CCD线阵（31）和图象采集系统（22）扫描接受收集，其信号送入微型计算机（24）处理，其结果由显示器（25）和打印机（26）完成。

图2（a）为干涉场中某一点相位差为锯齿波调制，图2（b）为干涉场光强与相位关系曲线：图2（c）为导出光强随时间变化曲线。

Claims

1、一种非接触式计算机硬盘表面粗糙度测量方法，其特征为用锯齿波调制相位实现移相法干涉测量，用电荷耦合固体成象器件扫描接受干涉图象，用微型计算机计算扫描各点初相位及微观轮廓高度，从而测量 12以上超精加工表面全部国家标准的粗糙度参数，即由锯齿波驱动压电陶瓷(PZT)使干涉显微镜的参考反射镜沿光轴方向产生线性位移和锯齿波式振动，从而形成线性相位调制，而移相产生的多幅干涉图象由电荷耦合固体成象器CCD阵线扫描接受采集，其信号送入计算机中处理。最终可得被测表面粗糙度国家标准的各种参数，各幅干移图象之间的象移步长由时钟计数电路实现，为达到上述目的，必须确保锯齿波驱动压电陶瓷与成象器CCD线阵图象采集同步工作。