塑料瓶装袋机_超精密加工表面微观形貌的光学测量方法_测漏机_测漏仪_检漏机_试漏机_塑料瓶装袋机_垫片冲裁入盖机

一、概述

机械零件的表面加工质量不仅直接影响零件的使用性能，而且对产品的质量、可靠性及寿命也至关重要。随着超精密加工技术的飞速发展，超精密加工表面的微观形貌测量已成为超精密加工领域中亟待解决的关键课题。

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超精密加工表面极为光滑，表面粗糙度Ra值在几分之一纳米到十几纳米之间。加工超光滑表面的材料主要有光学玻璃、有机玻璃、石英玻璃等光学材料，锗、硅等半导体材料及铜、铝等金属材料。表面微观形貌测量的传统方法是机械触针法，该方法可通过触测直接获得被测表面某一截面的轮廓曲线，经计算机进行数据处理分析，可得到接近真实轮廓的各种表面特征参数。虽然该类仪器具有较高分辨率及较大量程（如Talystep触针式轮廓仪分辨率可达0.1nm，测量范围可达100μm），但由于测量时尖锐的金刚石触针极易划伤被测样件的超光滑表面并引起测量误差，因此其在超精密表面测量中的应用受到一定限制。近年来，扫描隧道显微镜（STM）及其衍生物原子力显微镜（AFM）的出现，使表面微观轮廓测量技术发生了革命性变革。该类仪器不但具有可达原子尺度的超高分辨率（横向分辨率0．1nm，垂直分辨率0．01nm），还能获得关于被测表面原子结构及功能特性的大量信息。但STM和AFM对测量环境要求苛刻，需要采取良好的隔振措施和配备复杂的传感器运动伺服控制系统，且仪器价格昂贵，测量范围也较小，在实际应用中还需解决精密隔振技术、压电陶瓷的控制等技术难题。自1960年激光器问世以来，由于激光具有单色性、相干性和方向性好、光强度高等特点，很快成为精密光学测量的理想光源，各种类型的激光干涉仪均以真空中的激光波长作为长度测量基准。主要采用激光作为测量光源的表面微观形貌光学测量方法不仅能实现高精度的快速非接触测量，而且系统结构简单、成本低，因此在超精密表面非接触测量领域得到了迅速发展。目前较为成熟的光学测量方法主要有差频法、扫描法、干涉法、衍射法等，同时一些新的方法正在研究开发之中。下面介绍几种较为典型的光学测量方法。

二、几种典型的光学测量方法

1．X射线干涉仪

X射线干涉仪的结构原理如图1所示。仪器主要由分束器S、镜子M和分析器A构成，它们是在同一晶块上制作的三片互相平行的截面为（111）或（220）的晶片，其材料需选用高度完整的单晶硅，因为单晶硅的晶格间距可以用作纳米级精度的基本测量单位。当X射线以布拉格角入射到X射线干涉仪上时，可在分析器后形成宏观的莫尔干涉条纹。当分析器沿其反射晶面的法线方向移动时，每移动一个晶格间距，输出光强就变化一个周期，通过记录输出光强的变化周期数，即可实现微位移测量。由于硅晶格间距仅为0．19nm，所以测量分辨率可达亚纳米级。X射线干涉测量法的优点是测量分辨率及测量精度高，缺点是对环境要求较高，测量范围相对较小。

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图1 X射线干涉仪结构原理图