[發明專利]一種非接觸式硬盤表面粗糙度測量方法

無效

• 申請號: 91105893.1
• 申請日: 1991-08-20
• 公開（公告）號: CN1069804A
• 公開（公告）日: 1993-03-10
• 發明（設計）人: 陳家壁;張正澤;王菊香;仉漿銘;姚彩仙;李柱
• 申請（專利權）人: 華中理工大學
• 主分類號: G01B11/30
• 分類號: G01B11/30;G01B21/30
• 代理公司: 華中理工大學專利事務所
• 代理人: 駱如碧

本發明涉及一種測量技術，特別適用于超精加工表面粗糙度的非接觸測量。

美國ZYGO公司開發的ZAPP系統是一種用于光學波面檢測的移相測量方法，它不僅可以對干涉圖作靜態自動分析處理，對光波面進行檢測，還可把系統耦接到干涉儀中作實時處理。但，該系統用于隔振平臺上，對使用環境要求很高，價格昂貴，并且用ZENIOK多項式進行波面擬合計算量很大，費時多。

根據上述現有技術存在的缺點，本發明提供一種用鋸齒波調制相位以實現移相光干涉，測量計算機硬盤表面粗糙度的方法。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案，用鋸齒波調制相位實現移相法干涉測量，用電荷耦合固體成象器件掃描接受干涉圖象，用微型計算機計算掃描各點初相位及微觀輪廓高度，從而測量13以上，超精加工表面全部國家標準的粗糙度參數，即由鋸齒波驅動壓電陶瓷（PZT）使干涉顯微鏡的參考反射鏡沿光軸方向產生線性位移和鋸齒波式振動，從而形成線性相位調制，而移相產生的多幅干涉圖象由電荷耦合固體成象器（CCD線陣）掃描接受采集，其信號送入計算機中處理，最終可得表面粗糙度國家標準的各種參數。各幅干涉圖象之間的象移步長由時鐘計數電路實現。為達到上述目的，必須確保鋸齒波驅動壓電陶瓷與CCD圖象采集同步工作。如圖1所示，本發明方法由改裝的干涉顯微鏡、鋸齒波相位調制系統，CCD驅動及圖象采集系統及包括顯示、打印單元的計算組成。其中干涉顯微鏡的改裝分兩個部分，一是參考反射鏡（12）的調整部分，將參考反射鏡粘接在圓筒形的壓電陶瓷（13）端部，再通過絕緣材料固定在反射鏡座上。利用機械結構的調節部分，實現反射鏡法線方向的調整及參考光路光程與測量光路光程的匹配。另一部分是攝影部分，卸去干涉顯微鏡的照相物鏡（19），使觀察目視系統與成象攝影系統具有同樣放大倍率，提高成象處的光能密度，把電荷耦合成象器件CCD線陣（21）置于與目視分劃板（16）相對應的位置上，保證被測物（9）成一個清晰的象在成象器件（21）上，同時摒棄固定反射鏡（20）和照相機（18）。由于從被測物（9）和成象器件CCD陣線（21）等光程附近反射回的兩束光以極小角度相交，在這個象上將調制上一組清晰的干涉條紋。當角度小到弧秒量級時，其條線寬度可達到整個視場的尺度。當鋸齒波相位調制器（23）工作時，壓電陶瓷PZT（13）將按鋸齒波方式伸縮，使干涉場中的每一個點的光程差都發生一個鋸齒波型的變化，即相干光的相位差形成如圖2（a）所示的鋸齒波調制。由于干涉光場光強與相位差ψ之間為如圖2（b）所示的余弦關系。這種鋸齒調制使每一個點的光強變化也形成如圖2（a）所示的分段余弦曲線。例如，t₁時刻對應的鋸齒波調制相位差為ψ₁，而ψ₁對應相干光強為I（ψ₁），從而可由此找到在I-t曲線（圖2（a））上t₁對應的I（t₁）＝I（ψ₁）的點，依次類推，有I（t₂）、I（t₃）……，最后得到I-t曲線。由于鋸齒波兩段ψ-t曲線都是直線，因此I-t曲線必然為分段余弦曲線，只不過兩段頻率不同，圖2（b）所示I-ψ曲線是初位相差為零的，相干光疊加結果，對初相位不為零的情況，相應導出的I-t曲線將有一個平移，從而確定與表面輪廓有確定關系的初相位。由圖2還可看出，除鋸齒波調制外的任何形式都因其非線性而造成I-t關系一定不是準確的余弦關系，因此就會帶來非線性誤差，這也是我們提出鋸齒波相位調制方法的基本觀點。第三部分CCD線陣的驅動與圖象采集系統被用于測量被調制光強周期性變化，線陣上共有3048個象素，相鄰象素中心間隔14μ，對應著被測表面橫向分辨率可達0.88μ。從理論上講，計算出正弦波形初相位只需要測量曲線上三個點。但作為能量測量，某個時刻的光強對應該時刻光能是不可能測出來的。實際上是把一個周期的光強變化分為若干個區段分別積分進行測量。對應不同的算法、劃分區段多少和長距都不一樣。但無論對于那一種算法，都必須使鋸齒波調制與CCD圖象采集同步，保證每一組采集數據都處于同一個鋸齒波的上升段，而不跨越兩個波形。相移和相移步長由時鐘針數電路實現。采集到的圖象數據以DMA方式傳入計算機的內存。軟件系統設計了三種計算方法用來進行初相位計算，以期得到表面微觀輪廓高度，進而由表面輪廓計算出各種國家標準規定的表面粗糙度參數，其結果可以用顯示或打印兩種方式輸出。三種相位計算的基本公式為：（一） (π)/2 為步距的三塊算法。三次積分區間為〔O， (T)/8 〕，〔 (T)/8 ， 3/8 T〕，〔 3/8 T， 5/8 T〕，其中T為圖2中所示周期。相位計算公式為