基于白光干涉原理的微齿轮几何特征检测.pdf

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基于白光干涉原理的微齿轮几何特征检测.pdf

第31卷第2期 佛山科学技术学院学报(自然科学版) V01.31No.2 1 ofFoshan ScienceEdmon) Mar.2013 203年3月 Journal University(Natural 文章编号:1008—0171(2013)02-0058一04 基于白光干涉原理的微齿轮几何特征检测 傅贵武1,申 路1‘2,王宇华1 (1.佛山科学技术学院机电工程系,广东佛山528000} 2.华南理工大学机械与汽车工程学院.广东广州510640) 摘要:将垂直扫描白光干涉(VSI)测量方法应用于微齿轮的几何特性检测中,该方法具有非接触、大量程、高精 度、高效率等特点,水平分辨力为亚微米级.垂直分辨力可以达到纳米量级,并通过Hilbert变换法提取包络峰 值来恢复被测表面的三维形貌尺寸。研究结果表明,垂直扫描白光干涉测量方法能够实现微齿轮几何特性的检 测,满足设计中提出的精度要求。 关键词:白光干涉;微齿轮;几何特征检测 中图分类号:TH744.3 文献标志码:A 随着小型化的微电子元器件、微机电系统(MEMS)快速发展,需要获得器件尺寸、形状和轮廓等方 面的详尽信息,以确保其完整性和可靠性,从而监测和优化制造过程[1],因此检测微观结构时需要精确 的测量技术。 传统的触针式测量方法,如探测器的探头会造成零件的损坏,逐点扫描会导致测量速度低。在工业 三维(3D)轮廓测量(如半导体晶片检测与MEMS元件测量)中,光学干涉法是一种流行的非接触、无损 伤、高分辨率和高精度的测量方法[2。3]。 由于电子技术和软件的高速发展,使得采用微米甚至纳米级高分辨率的光学干涉测量技术对 MEMS器件进行精确测量成为可能。单波长干涉测量法和多波长干涉常用于微型元件的测量中。其中 单波长干涉存在相位模糊问题,而多波长干涉需要复杂而昂贵的照明系统。垂直扫描干涉仪(VSI)[4蜘 不仅能够克服相位模糊问题,而且只需要一个相对简单的光源就可以工作。 由于白光具有很短的相干长度,通常小于几微米。当白光干涉仪扫描物体时,只有当被测工件和参 考光束之间的光程差(OPD)在一个很短的相干长度内才会发生干涉。因此,被测工件的位置可以得到 精确的测量。 本文利用白光干涉原理对微齿轮的几何特征进行检测。 1 测量系统 白光干涉测量系统主要包括光学干涉成像系统、工作台、CCD以及计算机等几个部分,如图1所 示。测量系统是基于Michelson显微干涉仪,利用高精度压电陶瓷驱动器实现垂直方向的扫描,被测物 体上每个点的反射光束与参考光束发生干涉并产生干涉图豫,在对微齿轮的测量过程中可以得到一系 列的干涉图像,从而获得被测物体的三维尺寸信息,并通过Hilbert变换法提取包络峰值来恢复被测表 面的三维形貌尺寸。 收稿日期:2012一09—13 基金项目:佛山科学技术学院科研资助项目 作者简介:傅贵武(1962一),男,广东佛山人,佛山科学技术学院高级工程师。 万方数据 第2期 傅贵武等:基于白光干涉原理的微齿轮几何特征检测 59 图1 白光干涉仪 2 测量原理 分光镜将入射光线分成两部分,一部分入射到参考表面,另一部分入射到样品上。在反射之后,光束 在干涉仪内进行空间叠加,由于参考光束和测量光束之间存在光程差,因此会发生干涉现象,从而得到 表征测试样品表面形貌的亮暗条纹。 被测物体表面上因各点高度不同导致所形成的干涉光强不同。若从分光镜到被测表面上某一点的 距离等于从分光镜到参考面的距离,则对应的两束干涉光的光程差为零,此时所形成的干涉光强最小 (或最大)。若用压电陶瓷(PZT)微位移驱动器沿光轴方向驱动样品台或参考镜进行扫描,则干涉图像上 每一点的强度都随之变化,如图2所示。 趔 恻 拭 鼎 皋

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