基于双纵模同轴差动原理用于超精密加工在线检测的轮廓测量技术研究

摘要

本论文以国家重点实验室项目“高分辨率激光轮廓仪”以及军工预研项目“KDP晶体、非球面透镜等超精密加工表面亚纳米级微观形貌在位检测”中提出的要求为研究对象，针对一般纳米级分辨率测量仪器的不足，研究了用于在线测量的纳米级分辨率的高速激光轮廓仪。主要完成了以下工作： （1）针对目前纳米级轮廓仪普遍存在的抗干扰能力弱，数据采集速度慢，对非平面被测面难以测量，不适合于在线检测等缺点，根据研究项目提出的要求，以“周氏”同轴式轮廓仪为原形，对激光稳频装置、光学结构、信号采集以及数据处理等方面加以改进和重新设计，形成了亚纳米级分辨率的高速在线轮廓仪。该系统采用微机控制数据采集与处理，实时显示测量结果，并对表面粗糙度各常用参数进行计算，然后绘出被测表面的轮廓图形。它能够解决要求无损伤、无污染的进行超精细加工表面测量问题，且其操作直观简便，测量精度高，重复性好。由于该系统具有杰出的抗振动干扰能力和低噪声性能，所以不需要特殊的测量环境，能够满足在线测量的需要，具有良好的通用性和性价比。 （2）对轮廓仪光学测量部分进行了深入分析，得出了同轴式轮廓仪微观高度与测量相位差的关系。对光学系统进行了设计，主要包括：光束准直与滤波系统、参考光光路系统、测量光光路系统等。其原理是基于差动干涉原理，且其测量臂和参考臂同轴，这样就使得在垂直方向上的微小位移不会引起光程差，使由于测量仪器的振动或空气扰动带来的问题都不会直接影响测量结果，同时利用双纵模激光两个模偏振方向正交的特性，设计了双折射晶体分光光路，使反射回光不会影响到光源而产生噪声。设计的光路中虽有不同轴的部分，但都同时安排在晶体中通过，使其不易受外界条件变化的干扰。同时，还分析了参考光斑与测量光斑的大小对测量结果的影响，表面倾斜对测量光束的影响，表面倾斜对参考光束的影响，被测表面为曲面时对参考光束的影响等光学系统设计中需要考虑的最主要的几个因素，最后设计得出了完整的光学系统。 （3）对影响轮廓仪激光光源频率稳定性的因素进行了分析，并介绍了常见的稳频方法及产生双频的方法，同时对各种稳频方法的优劣进行了分析。针对在线测量需要有强抗干扰能力以及高速测量的需要，采用全新的双纵模电磁感应涡流加热稳频方法，使稳频精度提高，抗干扰能力加强。其原理是利用He-Ne激光管采用金属管颈的特点，通过电磁感应加热方式，在环绕在激光管两端或一端的激励线圈中通过高频电流，使线圈周围产生交变磁场。处于磁场中的激光器两端金属管颈产生涡流而发热，热胀冷缩，使激光管腔长改变，达到稳频目的。与采用通过控制激光管放电电流大小进行稳频的方法相比，由于本方法改变的谐振腔部分（激光管管颈）不被放电管外的玻璃管包围，所以散热条件好，热变形不受约束，具有响应速度快，抗干扰能力强，频率稳定性好等优点。论文中首先对采用感应涡流加热稳频的可行性进行了分析，推导了进行稳频所需要的加热功率，然后设计了感应加热线圈结构，并设计了相应的测量与控制电路，该电路具有结构简单，数据处理速度快，控制精度高等优点。同时，对控制方法作了分析，提出了控制算法的结构框图，并对控制参数作了具体分析计算。通过实际测量，采用此方法使激光器输出激光频率稳定度可达10<'-9>，双频激光频差大于500MHz，具有很高的抗干扰能力，满足了在线检测轮廓仪要求双纵模激光光源频差大、光源频率稳定度好、抗干扰能力强的要求。 （4）采用新的相位检测方法提高相位检测的精度，同时提高了在线检测速度。首先对目前常见的相位检测方法进行了分析，对比了各方法的优缺点。针对在线检测中要求测量信号频率高，系统可靠性要好，体积要小等问题，采用“直接比相法”对高频信号进行相位测量，使输出信号频率上限可达到30MHz，完全可以满足高速测量的要求。设计中采用了两套直接比相的电路装置，并且通过判断两路相位相差90°的频率信号的超前、落后将其测量范围由0°～180°扩展到0°～360°，满足了轮廓仪对量程范围的要求。然后通过两路信号互相校准和输入信号线性范围判断的方法将装置中有可能出现大的测量误差的角度范围剔除，提高了测量的精度。同时还设计了四阶Butterworth滤波器，对于测量输出的高频干扰信号进行了硬件滤波，降低了后续软件处理的难度。通过实际检测，该相位测量装置测量分辨率可达到0.1°，测量随机不确定度可达0.38°。完全能够满足在线检测的需求。 （5）运用非线性分析与常规误差分析相结合的方式对轮廓仪精度进行全面分析，得出与实验验证相吻合的结论。对于亚纳米级的轮廓仪，要实现其高精度与高分辨率，对误差来源的分析以及处理是必不可少的。本文针对高速双频．在线式轮廓仪误差来源多，分析难度大的特点，采用常规误差分析与非线性分析相结合的方式，对该轮廓仪进行误差分析，得出结论与实验相吻合，为今后为该类仪器的设计与加工以及改进与提高打下理论基础。对误差的分析从非线性误差、系统不稳定误差、仪器测量时安装调整不准确等三方面进行。在对非线性误差的分析中主要对激光偏振态不理想引起的非线性、激光偏振方向不正交引起的非线性、激光束成椭圆偏振态引起的非线性、λ/4波片对非线性的影响、立方体分光棱镜对非线性的影响、反射棱镜对非线性的影响、激光器光线偏振轴与冰洲石晶体偏振轴不垂直或不重合而引起的非线性等方面进行了分析。对系统不稳定误差的分析主要有双频激光平均频率的漂移造成的误差、系统程差变化造成的误差、双频激光差频的漂移造成的误差、高斯光束干涉附加项的变化造成的误差、相位计产生的误差等。然后对安装调整不准确误差以及一些前面未讨论到的误差进行了分析，最后得到了系统总的测量不确定度。 （6）对完成的轮廓仪进行实际检测，包括有垂直分辨率测试、垂直测量不确定度测试、横向分辨率测试以及与Taly-6机械触针式轮廓仪，ZYGO NewView200白光干涉轮廓测试仪等进行横行测试比对等。最终结论为：当振动干扰达重1μm时，仍可进行亚纳米分辨率的测试，摆放于金刚石车床的刀架上作在线检测时，其垂直分辨率优于0.1hill Ra，横向分辨率优于1.5μm。完全达到和超过了国家重点实验室项目“高分辨率激光轮廓仪”以及军工预研项目“KDP晶体、非球面透镜等超精密加工表面亚纳米级微观形貌在位检测”等项目中提出的要求。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

第2章同轴式激光干涉轮廓测量技术的理论研究

第3章双纵模热稳频技术的研究

第4章高频相位检测系统

第5章轮廓仪精度分析

第6章实验与分析

第7章结论

参考文献

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