（光学工程专业论文）光纤插针三维形貌与几何参数检测干涉仪的研制.pdf

y 6 8 9 0 7 5 浙江大学硕十学位论文摘要 摘要 光纤连接时需解决的主要问题是连接精度问题， 其中光纤插针的端面形貌和儿何参 数是影响光纤连接器性能的根本因素，并最终影响到光纤系统的稳定性。所以必须对光 纤插针进行检测，以提供端面研磨情况的详细资料，包括:三维成像和二维轮廓显示， 对曲率半径、 研磨偏移、光纤高度等关键参数的测量，并做出综合评价。本论文主要研 究微米尺度特定区域三维形貌的干涉计量新方法新技术， 研制光机电算一体化的实用系 统。在广泛分析了各种微结构形貌测量方法的基础上， 我们选取了m i r a u 型干涉显微系 统， 结合移相法相位测量技术来获取样品的形貌， 设计并试制完成了光纤插针三维形貌 与几何参数检测干涉仪。全文共分五章，具体如下: 第一章绪论， 说明了开展本论文研究 的现状和发展趋势，以及本文的研究日 标、 i 作的背景， 分析了光纤插针检测干涉仪研制 土要工作和研究意义等。 第二章为光纤插针检测干涉仪的理论基础， 包括光纤插针检测方法和移相干涉检测 技术两方面的内容。光纤插针检测方法部分包括: 光纤插针几何参数定义、 测试对象描 述、 三维重建和几何参数计算。 移相干涉测试技术包括: 相位测量方法、 压电控制技术、 相位去包裹算法。 第三章为光纤插针检测干涉仪的硬件设计部分。首先进行系统总体测量方案选型， 然后进行具体机械设计，内容包括:系统整体结构设计、照明系统设计、m i r a u 型干涉 头设计、机械设计与调整。 第四章对十涉仪的电路和软件部分进行设计。电路部分首先进行总体控制原理设 计，然后对主要元器件进行简单介绍。 软件部分6 先进行程序总体功能实现设计， 然后 分别对显示、文档管理、测试和数据分析处理四个子程序进行设计。 第五章进行实验研究， 得出了光纤插针测试部分的结果，并做出分析。 最后对本论 文所做的工作进行了总结，并探讨了需要进一步深入研究和完善的j作。 关键词:下 涉仪，光纤插针端面，二维形貌，几何参数， m i r a 。 型显微干涉系统，相位 测量，移相技术，压电微位移控制，相位解包裹 浙江大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t c o n n e c t i v e p r e c i s i o n i s t h e g r e a t p r o b le m i n t h e f i b e r o p t i c c o n n e c t i o n , t h e s u r f a c e t o p o g r a p h y a n d t h e g e o m e t r i c a l p a r a m e t e r s o f t h e f e r r u l e e n d - f a c e a r e t h e k e y f a c t o r , w h i c h a ff e c t i n g t h e p e r f o r m a n c e o f c o n n e c t o r a n d t h e s t a b i l i t y o f f i b e r o p t i c s y s t e m . t h e r e f o r e it i s n e c e s s a r y t o m e a s u r e t h e s u r f a c e t o p o g r a p h y a n d t h e k e y g e o m e t r i c a l p a r a m e t e r s t o p r o v i d e t h e d e t a i l s o f p o l i s h i n g , i n c l u d i n g : 3 - d a n d 2 - d i m a g i n g , r a d i u s o f p o l i s h i n g , a p e x - o ff s e t , f i b e r h e i g h t e t c , a n d g i v e a q u a l i t a t i v e e v a l u a t i o n . t h i s d i s s e rt a t i o n i s a im e d a t t h e n e w m e t h o d s a n d t e c h n i q u e f o r m e a s u r i n g t h e s u r f a c e t o p o g r a p h y o f m i c r o n l e v e l r e g i o n s t o o b t a i n t h e p r a c t ic a l o p t i c s i n s t r u m e n t , w i t h e l e c t r o n i c c o m p u t e r p r o c e s s i n g . a ft e r a n a l y z i n g v a r i o u s m e t h o d s u s e d t o m e a s u r e t h e s u r f a c e t o p o g r a p h y o f m i c r o - s t r u c t u r e s , w e s e l e c t e d t h e mir a u t y p e m i c r o s c o p e in t e r f e r o m e t e r s y s t e m , w i t h t h e p h a s e - s h i f t i n g t e c h n i q u e t o o b t a i n t h e s u r f a c e t o p o g r a p h y . i n t h i s d i s s e r t a t i o n , w e d e s i g n e d a n d m a n u f a c t u r e d t h e i n t e r f e r o m e t e r . t h i s d i s s e rt a t i o n i s c o m p o s e d o f f i v e c h a p t e r s a s f o l l o w s : c h a p . 1 : t h e b a c k g r o u n d o f c a r ry i n g o u t t h e i n t e r f e r o m e t e r f o r t e s t i n g a n d m e a s u r i n g f e r r u l e e n d - f a c e i s i n t r o d u c e d . t h e m a i n d e v e lo p m e n t s , c u r re n t s t a t u e a n d f u t u r e t e n d e n c y o f t h i s i n t e r f e r o m e t e r a re s u m m a r i z e d . t h e n t h e m a j o r o b j e c t i v e , w o r k s a n d s i g n i f i c a n c e o f t h i s d i s s e r t a t i o n a r e o u t l i n e d . c h a p . 2 : t h e f u n d a m e n t a l t h e o r e t i c s o f d e s i g n i n g i n t e r f e r o m e t e r i s i n t ro d u c e d , i n c l u d i n g t w o p a r t s : t h e a p p r o a c h o f m e a s u r i n g f e r r u l e e n d - f a c e , a n d t h e a l g o r i t h m s o f p h a s e - s h i ft i n g i n t e r f e r o m e t r y . t h e f o r m e r i n c l u d e s t h e d e fi n it i o n o f t h e g e o m e t r i c al p a r a m e t e r s , t h e d e s c r i p t i o n o f m e a s u r i n g t h e o b j e c t , 3 d r e c o n s t r u c t i o n , a n d t h e c a l c u l a t i o n o f t h e g e o m e t r i c a l p a r a m e t e r s . t h e l a t e r i n v o l v e s p h a s e - m e a s u r e m e n t t e c h n i q u e , p i e z o e l e c t r i c i t y m i c r o - d i s p l a c e m e n t c o n t r o l t e c h n i q u e , a n d p h a s e - u n w r a p p i n g al g o r i t h m s . c h a p . 3 : t h e d e s i g n o f t h e h a r d w a r e o f t h i s i n t e r f e r o m e t e r . t h e m e a s u r e m e n t f o r t h i s i n t e r f e r o m e t e r i s f i r s t s e l e c t e d , a n d t h e n t h e i n t e r f e r o m e t e r i s d e s i g n e d , i n c l u d i n g : t h e p r i n c i p l e , t h e i l lu m i n a t i n g s y s t e m , t h e mi r a u t y p e m i c r o s c o p e i n t e r f e r o m e t e r s y s t e m , t h e m a c h i n e a n d i t s a d j u s t m e n t c h a p . 4 : t h e c ir c u i t a n d t h e s o ft w a r e o f t h i s i n t e r f e r o m e t e r a r e d e s i g n e d . i n t h e c ir c u i t p a r t , t h e c o n t r o l p r i n c i p l e i s d e s i g n e d f i r s t , t h e n t h e m a i n c o m p o n e n t s a r e i n t r o d u c e d s im p l y . 浙江大学硕士学位论文摘要 i n t h e s o ft w a r e p a r t , t h e f u n c t io n o f t h e p r o g r a m a r e c o m p l e t e d f i r s t , t h e n t h e d i s p l a y s u b r o u t i n e , t h e f i l e m a n a g e s u b r o u t i n e , t h e t e s t s u b r o u t i n e , t h e c a l c u l a t i o n s u b r o u t i n e a r e d e s i g n e d . c h a p . 5 : t h e e x p e r i m e n t a t i o n a b o u t t h i s i n t e r f e r o m e t e r a r e c o m p l e t e d , t h e r e s u l t s o f t h e t e s t p a r t a n d t h e c o r r e s p o n d i n g a n a l y s i s a r e g iv e n , t h e n t h e c o n c lu s i o n s a r e a n d t h e f u rt h e r i m p r o v e m e n t s i n t h e f u t u r e a r e a l s o p r o p o s e d . k e y w o r d s : i n t e r f e r o m e t e r , f e r r u l e e n d - f a c e , 3 - d p r o f i l e , g e o m e t r ic p a r a m e t e r , mi r a u t y p e m i c r o s c o p e i n t e r f e r o m e t e r s y s t e m , p h a s e m e a s u r e m e n t , p h a s e - s h i ft i n g t e c h n i q u e , p i e z o e l e c t r i c i t y m i c r o - d i s p l a c e m e n t c o n t r o l , p h a s e u n w r a p p i n g i n 浙江大学硕上学位论文 第章绪论 第一章绪论 1 . 7 本论文的提出 在安装任何光纤系统时， 都必须考虑以 低损耗的方法把光纤相互连接起来，以实现 光链路的接续， 光纤的活动连接是靠光纤连接器来实现的。 光纤连接器就是把光纤的两 个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地祸合到接收光纤中去， 并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小。正是由于光纤连接器的使用， 使 得光通道间的可拆式连接成为可能，从而为光纤提供了测试入口， 方便了光纤系统的调 试与维护;又为网路管理提供了媒介，使光纤系统的转接调度更加灵活。 为了 连接直径大约1 0 - - - 1 0 0 w m 的光纤， 需要解决的主要问 题是连接精度问 题， 连接 精度直接影响光纤连接器的连接损耗。以前光纤连接只注意横向错位、 角度倾斜， 所以 插入损耗都在0 . 5 d b 左右。 随着系统对连接器要求的提高， 人们认识到连接器的光纤端 面几何形状对连接器的性能有决定性的作用， 于是通过研磨的方法加工出各种特殊的光 纤端f it l ， 这些端面按形状的不同可分为: p c 型、 u p c 型、 a p c 型。 p c ( p h y s i c a l c o n t a c t ) 型插头端面曲率半径最大，近乎平面接触，使纤芯之间的间隙接近于 “ 0 ，达到 “ 物 理接触”，使端面间隙和多次反射所引起的插入损耗得以消除，从而使后向反射光大为 减少。 u p c ( u i t r a - p o l i s h i n g c o n n e c t o r ) 型插头 端面的曲 率半径通常为2 0 m m ，由 于减小 了连接端面间的间隙，除降低了插入损耗外，也减少了连接端面的反射， 提高了回波损 耗， 使反射损耗可达4 5 d b ， 插入损耗可以 做到小于0 . 2 d b o a p c ( a n g l e d p h y s i c a l c o n t a c t ) 型插头端面除了实现光纤端面的物理接触外， 还把端面加工成斜面， 使得从端面反射的 光泄出而不返回纤芯， 从而大大提高了连接器的回波损耗。斜面的倾角越大，反射损耗 越大，但插入损耗也随之增大，一般取倾角为8 0，此时插入损耗约0 . 2 d b ，反射损耗 可达6 0 d b 以上，甚至达到了 o d b . 但在光纤端面的研磨过程中由于各种原因会造成缺陷，如光纤表面划痕、 球面顶点 偏移、表面凹凸不平等。为确保连接器的性能稳定，高质量的光纤接头不仅仅要求进行 衰减和背向反射测试， 接头端面的物理参数对于接头随时间和温度变化性能的好坏也起 到关键作用。控制光纤端面参数，如研磨曲率半径、偏心、光纤高度、表面粗糙度等， 可以使光纤连接器的性能有进一步的提高。 下面来分析这些参数是如何影响光纤活动连 接器的性能指标。 浙江大学硕士 学位论文第一章绪论 光纤活动连接器的性能指标首先是指光学性能， 光学性能包括插入损耗( i n s e r t i o n l o s s : i l和回波损耗( r e t u r n l o s s : r l ) 。插入损耗定义为光纤中的光信号通过活动连 接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数，其表达式为 1 l =一i o xl g ( p o / p i ) ( d b ) ( 1 一 1 ) 式中:p i 一一输入端的光功率;p o 一一输出端的光功率。 回波损耗是衡量从连接器反射回来并沿输入通道返回的输入功率分量的一个量度， 其定义是在光纤连接处，后向反射光相对于输入光的比率的分贝数，其表达式为 r l =一1 0 x l g ( p r / p i ) ( d b ) ( 1 - 2 ) 式中:p i 一一输入光功率;p r 一一后向反射光功率。 插入损耗越小越好，回波损耗愈大愈好， 但二者并非是各自 独立的，理论上是高插 入损耗一般对应低回波损耗， 低插入损耗则一般对应高回波损耗。 但由于插入损耗光功 率的数量级远大于回波损耗光功率的数量级， 因此上述规律并非是绝对的。 实际上回波 损耗的大小主要取决于能否把反射光尽量旁路掉，这跟插针端面的结构有很大的关系。 为方便起见，以下只讨论插入损耗的影响因素。 插入损耗是由光纤固有损耗和端接损耗引起的。 光纤固有损耗主要包括光纤吸收损 耗和瑞利散射损耗，目前 光纤的制造技术可以使光纤的固有损耗在 1 5 5 0 n m附近降到 0 . 2 d b / k m ，而光纤跳线的长 度通常为1 0 m 左右，囚 此固有损耗几乎可以忽略不计， 插入 损耗主要取决于端接损耗，即光纤跳线通过连接器连接而引起的损耗。 根据标准和细则 的规定， 插入损耗是使用标准跳线与被测光纤活动连接器相连， 来测量光纤活动连接器 的插入损耗。 考虑到标准跳线一般是非常规范的， 因此端接损耗主要取决于被测光纤活 动连接器。 端接损耗过高的原因主要体现在以 下几个方面: 1 ) 研磨不充分。 研磨是光纤活动连接器插针生产中很重要的 一 道工序。 研磨不充分 往往会造成插针端面凹凸不平。 这种连接器互相连接时势必会使两根光纤之间有空气间 隙，这样就容易造成光学性能变差。 在研磨不充分的插针端面上还可能存在划痕，如果 划痕直接通过纤芯，它们同样会引起光纤活动连接器光学性能的明显下降。 2 ) 光纤偏心( a p e x o f f s e t ) 。通过光纤端面分析仪对光纤端面的观察注意到， 若插 针端面等高线的干涉圆环中心与实际光纤纤芯基本重合，说明光纤的纤芯落在了插针的 最高点，就可以保证纤芯与纤芯对接时中间不留缝隙。 但是，如果干涉圆环中心与 光纤 纤芯不重合，则势必会影响光纤的通光性能，导 致连接器的插入损耗较差。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 3 ) 纤芯凹陷( u n d e r c u t ) 或凸出( p r o t r u s i o n ) 。 纤芯的凹陷或凸出都容易引起光纤传 输性能的下降。这是因为，当纤芯凹陷时，则可能导致对接的两根纤芯之间存在缝隙， 接触不够紧密而存在空气间隙，引起反射，从而影响插入损耗和回波损耗;当纤芯凸出 时，则可能导致对接的两根纤芯互相挤压而使光线的射出端面和入射端面并不平行， 从 而使两根光纤之间出现轴向倾角，导致对接光纤的通光性能下降。 十 . 一 j 叫 b - 叫 ， 叫 - 叫尸 - 叫 d 巨 竺 叫 任曰 ， 叫-叫 f se 份 - - 1 巨三扭任 日 h 巨三玉三日 i d e a l g e o me t r y i l : g o o d rl : g o o d a n g l e o f p o l i s h i n g ( 。 汀g a p ) i l: ok rl二 ba d f l a t p o l i s h i n g ( a i r g a p ) i l: ok rl二 ba d s ma l l r a d i u s i l: ok rl: ok h i g h m e c h a n i c a l p r e s s u r e 二p o o r a g e i n g f i b e r u n d e r c u t i l: ok r1: ba d f i b e r pr o t r u s i o n i l: ok rl: ok h i g h m e c h a n i c a l p r e s s u r e e c c e n t r i c i t y f r o m f i b e r i l: h a d rl: ok a n g l e i n f i b e r i l: b a d rl: ok 图1 . 1 插针端面 研磨后的典型 缺陷 光纤研磨后的各种缺陷对插入损耗( 1 l ) 和回波损耗( r l ) 的影响示十图 1 . 1 中 为理想外形状态，i l 和r 1 均获理想值:图b 中右侧插针端面加工成角度，图c 。图 a 中被加 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 工成平面，使得对接时两纤芯间存在气隙，1化变坏;图d 中右侧加工成小的球面半径， 图f 中有纤芯凸出， 虽然 i l 和r l 可达要求， 但由于接触面积变小而存在很大的机械压 力， 容易磨损和老化;图e 中存在纤芯凹陷， r l 变坏:图g 中的右侧光纤偏离轴线，图 h 中的右侧光纤与轴线有一角度，使得 i i 变坏。 最后我们可以得出结论: 决定光纤活动连接器光学性能指标的最根本因素是光纤插 针的质量。如果能从光纤插针的端面形貌和几何尺寸着手，对连接器进行定量检测，以 提供光纤端面研磨情况的详细资料， 并作出综合评价， 我们就能可靠地评价光纤活动连 接器的质量水平，最终保证光纤通信系统的稳定可靠。 本课题“ 光纤插针三维形貌与 几何参数检测干涉仪的研制” 就是以卜 述问 题为直接 解决对象，以期研制出高精度、 智能化、实用性的快速检测仪器， 实现光纤插针端面的 三维成像、 二维轮廓显示和对曲 率半径、 研磨偏移、 光纤高度以及表面粗糙度等参数的 自动测量，直接为光纤通信产业服务。 1 . 2 光纤插针检测技术研究概况 妇. 2 . 1 光纤插针测量方法综述 图1 . 2微结构测量方法结构图 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 本项目 研究的光纤插针端面检测技术属于微小区域三维形貌即微结构的测量范围。 微结构测量一般都需要借助直接或间接的显微放大， 要求有较高的横向分辨率和纵向分 辨率。 按照工作原理的不同， 微结构测量方法大致可分为五种， 其结构关系如图1 .2 示。 下面分别进行简单介绍。 1 机械探针式测量方法 机械探针式测量方法是开发较早、 研究最充分的一种表面轮廓v o l 量方法。 它利用机 械探针接触被测表面，当探针沿被测表面移动时， 被测表面的微观凹凸不平使探针上下 移动，其移动量由与探针组合在一 起的位移传感器测量， 所测数据经适当的处理就得到 了被测表面的轮廓。该原理的典型仪器是探针式轮廓仪。 探针式轮廓仪是高精度的表面轮廓a l 量仪器， 纵向分辨率取决于与之配套的位移传 感器，一 般可达到0 . 1 n m的量级;横向分辨率与针尖半径有关，同时还与被测表面的具 体形状有关， 一般可达到0 . 0 5 p m -0 . 2 5 1x m 。 可 测量各种形状的 表面，由 于被测表面的 移动是借助载物台的平动实现的，因此它的测量范围较大。由于是接触式测量， 探针要 在一定的压力下接触被测表面， 并且为了获得较好的测量精度和较高的横向分辨率， 探 针半径一般都很小， 这样被测表面单位面积上承受的接触压力就很大( 如果测量力为1 n , 探针半径为0 . 1 p m ， 接触压弧将达到5 x 1 0 p a ) 。 如果被测表面 较为松软， 探针往往会 k i 伤被测表面。因此，探针法 一 般不宜用于测量铜、 铝等软金属表面或涂有光刻胶等薄 膜的表面。 2 光学探针式测量方法 光学探针式测量方法原理上类似于机械探针式测量方法，只不过探针是聚集光束。 根据采用的光学原理不同，又可分为几何光学原理型和物理光学原理型两种。 2 . 1 几何光学探针式测量方法 利用像面共辘特性来检测表面形貌，有共焦显微镜和离焦检测两种方法。 基于共焦显微镜原理的光学探针轮廓仪由共挑成像系统组成， 测量时物点跟踪被测 表面， 并被成像在点探测器上。 当被测表面与探测面共骊时， 在点探测器上的像点最小， 点探测器接收到的能量最大;当被测表面偏离物点时，探测器上的像点变大，点探测器 接收到的能量变小。 测量时控制物点与 被测面重合，保证探测器有最大能量输出， 便可 描绘出被测表面的形貌。 5 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 利用离焦误差检测原理测量表面形貌有多种方法， 如临界角法、 像散法、 偏心光束 法、 傅科刀口法等。 这些方法通过测量显微物镜与被测表面的离焦量来反映被测表面的 形貌。它具有光路简单、使用方便的优点，纵向分辨率可达 i n m 。不足之处是对被测表 面反射率和局部斜率较为敏感，线性范围窄。 2 . 2 物理光学探针式测量方法 利用干 涉原理通过测量程差来检测表面形貌，有外差干涉和微分干涉两种方法。 外差干涉光学探针利用双光束外差干涉原理来测量被测表面的形貌。 两支相千光的 束作为测量光束经显微物镜聚集在被测表面上，另一束则作为参考光束保持光程不 变。 通过某种方法使两支相干光的频率产生差异， 从而使两束相干光的相差受时间调制。 当光电探测器检测随时间变化的干涉条纹时， 探测器输出电信号中的低频成分的位相就 反映了干涉条纹的位相差。 利用位相计测出低频信号的位相， 就可高精度地测出千涉条 纹的位相差，从而得到有关表面形貌的信息。 微分千涉光学探针将光束分成两束相干光束并在被测表面上聚焦成两个相距很近 的光斑， 被测表面在这两个光斑之间的高度差决定了两束相干光的位相差， 利用各种方 法测出位相差，就可能获得表面形貌的信息。由于微分干涉探针采用共光路光学系统， 因此具有良好的抗干 扰特性， 且不需要标准参考平面。 但是由于微分干涉法实际钡 量的 是表面斜率，表面形貌是通过斜率积分获得的，因而这种方法会累积误差。 3 千涉显微测量方法 干涉显微测量方法利用光波干涉原理测量表面轮廓。与探针式测量方法不同的是， 它不是单个聚焦光斑式的扫描测量， 而是多采样点同时测量。 这里所说的干涉显微测量 方法不是传统意义上的干涉显微测量方法， 它不是采用传统的依据条纹形状和ih j 距的干 涉条纹判读法来测量表面形貌， 而是采用诸如外差千涉、 锁相干涉以 及相移干涉这些实 时位相自 动测量技术来快速精密地测量表面形貌。它一次测出的是一个面上的表面形 貌，而不像传统干涉显微镜那样，一次测出的实际上只是一个横切面上的表面形貌。卜 涉显微测量方法根据千涉光路的结构可分为双光路和共光路两种类型。 双光路型干 涉显 微轮廓仪根据分光方式的不同 还可分为m i r a u . m i c h e l s o 。 和l i n n i k 三种类型。 共光路 型l 二 涉显微轮廓检a ( 仪有微分干涉相衬( d i f f e r e n t i a l i n t e r f e r e n c e c o n t r a s t : d i c ) 显微镜。 浙江人学硕士学位论文 第一章结论 3 . 1 双光路干涉显微轮廓仪 图 1 . 3 ( a ) , ( b ) , ( c ) 分别是m i r a u , m i c h e l s o n 和 i n n i k 三种分光方式的示意图。 re f . s u r f . bs re f . s u r f s u r f a c e s u r f a c e ( a ) m i r a u 系统( b ) m i c h e l s o n 系统 no ma r s k i p r i s m su r f . s u r f a c e ( c ) l i n n i k 系统( d ) d i c 系统 图 1 . 3各种干涉显微系统原理图 m i r a u 干 涉显微轮廓仪的原理如图1 . 3 ( a ) 所示。 来自 光学系统前端光路的光束经显 微物镜0 后透过参考板r e f . s u r f . ， 然后由分光板b s 上的半反半透膜分成两束。 一束透 过分光板投射到被测面上 ，反射后经分光板和参考板回到显微镜。另一束被分光板反射 到参考板上表面中心区域，反射后回到分光板并再次被反射， 然后透过参考板回到显微 镜。两束光在显微物镜视场中重合并发生千涉。其特点是只使用一个显微物镜，因而在 测量时物镜不会给两束相干光引入附加的光程差。 此外，由于参考光路和测量光路近似 共路， 因此可排除很多干扰的影响。 但由于在物镜和被测表面之间需放置参考板和分光 板， 因此m i r a 。 干涉显微轮廓仪只能使用工作距离较长的显微物镜， 致使显微物镜的数 值孔径受到限制， 横向分辨率较低。 在m i r a u 干涉显微轮廓仪中，显微物镜的放大率 一 般为1 0 x , 2 0 x 或9 0 x . m i c h e l s o 。 干涉显微轮廓仪的原理如图i . 3 ( b ) 所示。 来自光学系统前端光路的光束 浙江大学硕士学位论文 第 一章绪论 经显微物镜后被分束镜分成两束，一 束被参考面反射，另 一 束被被测面反射， 两束光再 次经过分束镜后会合并发生干涉。 从干涉分光方式和光路结构看， m i c h e l s o n 干涉显微 光路类似于传统的 m i c h e l s o n 干涉仪，不同的是传统的 m i c h e l s o n干涉仪( 包括传统的 f e z e a u , t w y m a n - g r e e n , m a c h - z e h n d e r 干涉仪在内 ) 是一种宏观测量，它们测量的 是表 面形状或表面形状误差， 而m i c h e l s o n 千涉显微轮廓仪是一种显微放大测量， 它测量的 是微观区域内 表面的微观结构形貌。同m i r a u 干涉显微轮廓仪一样， m i c h e l s o n 干涉显 微轮廓仪也只使用了一个显微物镜， 在物镜和被测表面之间也放置了分光器件，不同的 是m i c h e l s o n 干涉显微轮廓仪的物镜工作即离更长， 数值孔径更小， 因而m i c h e l s o n 干 涉显 微镜的 抗干扰能力、横向 分辨率都要差于m i r a u 干涉显微轮廓仪。 m i c h e 土 、 o n 干涉 显 微物镜的 放大率一 般只有1 . 5 x , 2 . 5 x 和5 x . l i n n i k - j 涉显微轮廓仪干涉显微光路如图 l . 3 ( c ) 所示。由 光学系统前 端光路出 射 的平行光经过分束棱镜后分成两路， 一路经过显微物镜聚集在参考面上并被反射回显微 物镜还原成平行光， 另一路经过另一个显微物镜聚集在被测表面上， 反射后经过显微物 镜还原成平行光，两束光经过分束棱镜后重新会合并发生干涉。在 l i n n i k干涉显微光 路中，采用了两个完全相同的显微物镜，参考光路与测量光路要求一 致，由于在物镜和 被测表面之间没有其它光学元件，因而 l i n n i k干涉显微轮廓仪可使用1 _ 作距离较短的 显微物镜，其数值孔径可高达 0 . 9 5 . l i n n i k卜 涉显微物镜的放大率一般高达 1 0 0 倍， 甚至 2 0 0 倍。 3 . 2 共光路干涉显微轮廓检测仪 微分干涉相衬( d i f f e r e n t i a l i n t e r f e r e n c e c o n t r a s t : d i c ) 显微镜，光路如图 l . 3 ( d ) 所示。 是一种共光路干涉显微系统， 是近年来被广泛使用的高灵敏度表面轮廓检 测仪。其关键是在显微偏振光路中 加入了一块w o l l a s t o n 分光棱镜。 w o l l a s t o n 棱镜将 入射线偏振光分成两束夹角较小， 偏振方向垂直的线偏振光，r k 微物镜将此两束平行光 聚焦成两个稍稍分开的光斑投射到被测表面上，经被测表面反射后，经过物镜由 w o l l a s t o n 棱镜重新复合， 最后经过检偏器产生十涉。由 于两束光横向 剪切量小于显微 镜分辨率，因此视场中只有一个像。 d i c显微技术实质上是一种显微镜分辨极限以下的波面剪切干涉技术，两个微微分 开的光斑把表面微观起伏的高度变化以光强和干涉色的形式表现出来， 其有强烈的立体 感。若用白光照明，还具有鲜明的彩色感，表面微观细节能被清晰地表现出来，分辨率 高达0 . 4 n m . d i c 显微镜本质上也是一种双光路干涉显微镜， 与m i r a u , m i c h e l s o n , l i n n i k 8 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 干涉显微镜不同的是， 它的两支相干光几乎重叠在一 起 ， 因此对外界干扰不敏感并使用 方便。 但由于微分干涉仪与多个因素有关以 及w o l l a s t o n 棱镜对入射光束的分束与入射 光入射方向及入射角有关， 因此很难从二维干涉光强测量数据中处理出二维面上的表面 形貌的信息，因此无法进行定量分析和测量。一般只用来定性观察被测表面的形貌。 4 扫描电 子显微镜 扫描电子显微镜( s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e : s e m ) 利用聚焦得非常细的电子 束作为电子探针。当探针扫描被测表面时，二次电子从被测表面激发出来，一二 次电子的 强度与被测表面形貌有关， 因此利用探测器测出一 _ 次电子的强度， 便可处理出被测表面 的几何形貌. s e m 具有较高的纵向分辨率和横向分辨率，可分别达到 1 o n m 和2 n m ，但是由于s e m 的有深度效果的图像是用立体观察技术和立体分析技术间接获得的， 因此s e m 主要用来 定性观察被测表面的形貌。此外，s e m 要求在真空环境下工作，要求被测表面导电，操 作复杂，测量费时，这进一步限制了它的应用范围。 5 扫描探针显微镜 扫描探针显微镜( s c a n n i n g p r o b e m i c r o s c o p e : s p m ) 是通过探测样品与探针之间 存在的各种相互作用所表现出的各种不同特性来实现测量的。 依据这些特性，目前己开 发出各种各样的扫描探针显微镜。就a !1 量表面形貌而言，扫描隧道显微镜( s c a n n i n g t u n n e l i n g m i c r o s c o p e : s t m ) 和原子力显微镜( a t o m i c f o r c e m i c r o s c o p e : a r m ) 最为 人们熟悉和掌握。 扫描隧道显微镜 ( s t m )的基本原理是基于量子隧道效应，当金属探针与 被测表面 非常接近( 几个埃) 时， 在探针与表面的间隙中出现隧道电流。 电 流强度与间隙大小有关。 当探针沿被测表面移动时， 驱动和控制探针上下移动使隧道电流保持不变， 保证间隙锁 定，那么探针上下移动量便反映了被测表面的轮廓。s t m 在纵向和横向都具有极高的分 辨率， 其纵向分辨率达0 . 0 0 1 n m ， 横向分辨率达 i n m o s t m 极高的纵向和横向分辨率， 使 其成为极具吸引力的微结构表面测量仪器。 然而s t m 的纵向和横向测量范围都很小， 横 向测量长 度一 般在几微米或几十微米量级，因此s t m的使用局限于超微细、 超光滑表面 的测量。此外，s t m的结构和控制复杂，涉及的技术难度大，如针尖的制作、针尖表面 间隙的控制以及微定位器件的精密控制等都是一些棘手的难题。 浙江大学硕上学位论文第一章绪论 原子力显微镜 ( a f m )的基本原理是基于探针与样品间的原子相互作用力，探针置 于悬臂梁上， 利用光学杠杆法测出悬臂梁在原子力作用下的变形， 便可测出被测表面的 形貌。 a f m 有两种型式， 一种是接触式测量， 但其接触力极小，典型地为1 0 - ， 到l 0 - n , 主要由两部分组成， 一部分是由各种原因( 如样品表面的张力、 样品表面上的电荷等) 引 起的样品和探针之间的吸引力， 另一部分是在吸引力作用下探针沿样品表面扫描时出现 的摩擦力。 接触式a f m 的接触力尽管很小，但在有些应用中仍是不允许的，因此又出现 了一种非接触式a f m 。非接触式a f m 的工作原理是基于这样一种现象，即当 样品表面与 探针处干似接触非接触状态时， 探针的振动幅度变小并同样品表面与探针之间的平均距 离成正比。 a f m 具有极高的纵向 分辨率， 可达0 . 0 1 n m ， 但横向 测量长度很小， 仅达到1 0 h m , 因此a f m 常被用来测量线条的宽度，较少用于测量表面形貌。 1 . 2 . 2 各种测量方法的评价 探针式轮廓仪的共同特点是测量范围大、测量精度高，但由于是点扫描测量， 测量 费时， 很难做成在线检测仪器。光学探针式测量方法的最大特点在于使用了光探针 ( 聚 集光束) ，从而实现了非接触测量， 其与机械探针式测量方法的优缺点比较如表1 . 1 示。 表 1 . 1机械探针式和光学探针式测量方法的优缺点比较 机诫探针式接触测量光学探针式非接触测量 优点 1 有大的横向和纵向 测量范围 2价格较便宜 1不会损伤样品表面 2在亚纳米区域灵敏度最高 3使用方便、快速、简单、信息大 缺点 1易损伤被测表面 2横向分辨率受针尖半径限制 3测量时间 较长 1 横向分辨率受限于光学系统特性 2单波长测量时高度侧量范围受波长限制 3需要一套高 精度的调焦系统 4价格贵 干涉显微测量方法能同时测量一个面上的表面形貌， 横向分辨率取决于显微镜数值 孔径， 一 般在微米或亚微米量级:横向 测量范围取决于显微镜视场，大小在 。 量级。 纵向分辨率取决于干涉测量方法，一般可 达 n m或0 . 1 n m量级;纵向测量范围在波长 量 级。因此干涉显微测量方法比较适宜于测量结构单元尺寸在微米量级，测量区域在 二 或亚m m 量级的微结构。 扫描电子显微镜 ( s e n )有较高分辨率，既可以用于微米量级结构的测量，也可以 浙江大学硕十学位论文 第一章绪论 用于r im 量级结构的测量，缺点是要求样品导电、 真空操作等， 它比较适合于定性测量。 扫描探针显微镜 ( s p m )测量方法虽是扫描测量，但最终给出的是整个被测区域 h 的表面形貌。 尽管s p m 测量精度高，纵向及横向分辨率达原子量级， 但测量范围无论是 横向还是纵向， 格昂贵、因此 都很狭窄，而且涉及的技术难题多、 s p m 常适合于测量结构单元在n m 量级、 操作复杂、测试条件苛刻，而且价 !j 量区域为微米量级的微结构。 1 . 2 . 3 国内外主要产品 目 前只有美、日、法、德等国在微结构三维形貌检测方面具有较为成熟的技术，我 国从8 0 年代中期起，也开展了对该技术的研究，包括m i r a u 系统在内，但由于配套技 术的制约，如纳米级超薄光学元件加工技术、纳米级微位移控制技术等的匾乏， 使得现 行技术与国际先进水平和实际需求还有一定差距。目前可直接用于光纤插针检测的商用 系统主要有: 美国n o r l a n d 公司的c o n n e c t - c h e k c c 6 0 0 0 , a c 3 0 0 0 , a c c i s n c - 3 0 0 0 等产品。 以a c 3 0 0 0 为例， 它可以 在标准单色相移干涉测量模式 ( p s i )与白 光 ( 宽带扫描) 干涉 测量模式之间自 动切换， 测量精度可分别达到: 光纤高 度土 0 . 0 0 2 w n 、 曲率半经1 0 . i o m m , 研磨偏移1 . o w n 。而a c c i s n c - 3 0 0 0 使用了带有压电控制干涉物镜的反相显微镜，以及 带有滤色器的白光源， 也可在单色光和白光间切换， 测量精度分别达到: 光纤高度0 . 0 0 4 w m 、曲率半经 0 . 2 5 m m 、研磨偏移 l . o w n . 法国d a t a - p i x e l 公司 的k o n c e n t r i k = 涉仪， 配套软件带有自 动校准功能， 测 量精度和范围分别可达到: 曲率半径: 士 0 . 5 m m , 3 -1 0 0 m m ; 研磨偏移: 士 s n m , 0 -3 0 0 w n ; 光纤高度:士5 n m ，一3 0 0. 3 0 0 n m ;