摘要：本文利用纳米计量垂直扫描工作台实现了对6JA干涉显微镜的改造，研制出WIVS三维轮廓测量仪，能够精确有效地测量Ra值为0.001～ 2.0µm的三维表面形貌宋体。通过对改造前后的6JA干涉显微镜进行性能分析，说明了WIVS三维轮廓测量仪能够满足工程表面测量的发展要求。
关键词：白光干涉显微镜 干涉显微镜 三维轮廓测量
1.引言
自上世纪中叶以来，上海光学仪器厂生产的6JA干涉显微镜一直是非接触测量工程表面粗糙度的主要仪器，它主要用于测量Rz为0.032～0.8µm (▽10~▽14)的工程表面粗糙度、高度差较小的沟槽、台阶尺寸等，由于它性能稳定、体积小、价格低，被广泛用于。随着生产与技术的进步，超精加工、微电子、 MEMS、生物技术的兴起，要求真实充分反映表面的形貌、准确的三维几何特征、表面功能特征及频谱分析等。新的国家标准或国际标准，以及正在实施的“产品几何量国际标准体系 （GPS）”反映了上述要求的内容，这就要求测量仪器及评定方法有一个质的改进。由于6JA干涉显微镜所得测量数据过于简单、误差大、效率低等，已不能适用于国家标准及国际标 准的要求，为此，我们研制了WIVS三维轮廓测量仪，它是在6JA干涉显微镜的基础上配以纳米计量、驱动、CCD摄像、计算机技术以及强大的软件系统改造而成，产品既有继承性，又 能满足技术发展的要求，与国外同类仪器相比，价格低廉，是一种较为理想的表面非接触测量仪器。
2.6JA干涉显微镜简介[1]
6JA干涉显微镜属双光束干涉Linnik类干涉显微镜，其光学系统图如图1所示，测量原理如下：
O1、O2—显微物镜 O3—目镜 O4—照相物镜 O5、O6、O7—照明聚光镜 S1、S2—反光镜 S3—可调反光镜 P1—标准镜面 P2—工件测量面 P3—照相底片 T—分光板 T1—补偿板 F—干涉滤色片 Q1—视场光栏 Q2—孔径光栏 S—灯源
图1 6JA干涉显微镜光学系统图
灯丝S发出的光线经聚光镜O6和O5投射到孔径光栏O2平面上，照明了位于照明物镜O7前面的视场光栏 O1。通过照明物镜的光线投射到分光板T上；分光板T把投射在它上面的光束分成二部分：一部分反射；一部分投射。
从分光板T反射的光线经物镜O1射向标准反射镜P1，再由P1反射，重新通过物镜O1、分光板T，射向目镜 O3；从分光板投射的光线，通过分光板T、补偿板T1、物镜O2射向工件的表面P2。再由P2反射， 重新经过物镜O2、补偿板T1、分光板T，射向目镜O3。在目镜焦平面上两束光相遇，产生干涉，形成干涉条纹。
干涉条纹如图2所示，干涉条纹的弯曲程度反映表面微观不平程度。由(a/b)(λ/2)可计算出单个峰谷的高度差。采集干涉条纹多个峰谷高度差a及条纹间距b， 按定义可计算出表面粗糙度的Ra，Rz等参数值。
图2 干涉条纹
3. WIVS三维轮廓测量仪
WIVS三维轮廓测量仪的构成如图3所示，由改造后的6JA干涉显微镜与垂直位移扫描工作台构成。
图3 WIVS三维轮廓测量仪
1— 改造后的6JA干涉显微镜 2— CCD 3— 物镜 4— 工件 5— 计量衍射光栅 6— 柔性铰 7— 垂直位移工作台座 8— 压电陶瓷 9— 垂直位移粗驱动装置 10— 共基面运动X－Y工作台 11— 全息衍射光栅计量系统
白光干涉条纹由6JA干涉显微镜获得，其在等光程处光强最大，且是正弦变化，如图4所示。图示的峰值对应干涉仪参考镜虚像与工件的交点。垂直位移工作台 由压电陶瓷纳米级等间距驱动，干涉条纹随之移动，CCD摄像机记录每一步移动的干涉图像，计量衍射光栅测量系统精确记录每一步位移，经过计算机对所有 图像的处理，可以得到表面的三维形貌图形。
图4 白光干涉相干图
4. 6JA干涉显微镜与WIVS轮廓测量仪的比较
通过对这两种仪器的结构进行分析，6JA干涉显微镜与WIVS轮廓测量仪的性能比较详细如下：
（1）6JA干涉显微镜由于各种误差的影响，仪器的总误差最大达51％，而WIVS三维轮廓测量仪由于采用可计量的纳米垂直位移扫描及高分辨 CCD图像技术等，仪器总误差可小于5％。
（2）6JA干涉显微镜采用人工读数，其垂直方向的扫描分辨率一般为(1/10~1/20)×0.275µm，约为0.03～0.15µm。 WIVS轮廓测量仪采用压电陶瓷闭环驱动垂直位移扫描读数，其分辨率可小于1nm。由于垂直位移工作台可实现精确的分步摄像，因此，对于λ/2高度差的轮廓， WIVS亦可采用相移干涉方法评定，其分辨率可达0.01nm。
（3）6JA干涉显微镜配置的物镜的数值孔径一般为0.65，所测工件峰谷的高度差受限于白光干涉的干涉长度，约3～4µm， 多用于测量峰谷高度差小于λ/2的表面轮廓。WIVS轮廓仪采用了垂直扫描获取零级条纹的方法，只要在峰和谷处获得零级条纹，即可计算出两者的高度差。因此， 理论垂直测量范围是无限的，实际上受物镜工作物距的限制，由6JA改造的WIVS垂直测量范围可达0.5mm。无物镜时，可达数十毫米。
（4）6JA的视场为Φ0.25mm，若需测量更大的面积则需更换数值孔径较小的物镜（目前尚无这种数值孔径的物镜），但横向分辨率会降低。 WIVS可不更换物镜也可达到更大的测量面积，因为WIVS垂直位移扫描工作台可放置在共运动基面的精密X-Y工作台上，通过拼图获得大面积的表面形貌，同时不降低 横向分辨率。
（5）根据表面粗糙度有关国家标准或相应的等效国际标准，轮廓二维参数达20多个，要求采用高斯滤波及采样最小间距等，随着国际产品 几何量标准体系（GPS）的进一步发展，对表面轮廓测量与评定的规定将越来越多，越来越严格，由6JA干涉显微镜通过人工读数获取轮廓上数十个点的数据以评定表面 轮廓显然是不充分，不准确的，不能满足国家标准或国家标准的规定。Rz这一评定参数在新的国家标准中已取消，相当多的参数计算前提要求获取准确的原始轮廓曲线、 曲面。6JA干涉显微镜在新标准条件下已不适用，而由它改造的WIVS轮廓仪，可满足新标准提出的所有参数、滤波方法、采样间距等测量与评定要求。
（6）用6JA干涉显微镜测量与评定时，得到的是由少数点组成的二维轮廓曲线和二维评定参数，不能真实反映表面形貌和功能。随着科技与 生产的发展，表面测量与评定向三维发展已成为必然。三维表面形貌评定的国际标准体系已在制订中，显然6JA干涉显微镜已不适应这一发展， WIVS可提供未来国际标准中的所有三维评定参数和图形。
（7）6JA干涉显微镜采用人工操作、读数、计算，测量评定某个参数，例如Rz，需要几分钟到几小时，效率很低，并需要有相当技术水平的 操作人员。WIVS可自动测量，计算机评定，完成一个取样表面的二、三维测量与评定，只需几秒。
（8）6JA干涉显微镜仅用于表面粗糙度参数Ra、Rz、Ry，以及小台阶高度、小轴、小球直径等项目的测量，随着超精密加工、光电子技术、 MEMS以及生物医学技术的发展，对表面的功能、频谱分析、区域几何特征划分、图像识别等等要求不断提出，显然6JA干涉显微镜不能满足这些要求。 WIVS配置有功能强大的评定软件系统，可满足日愈发展的技术要求。
（9）WIVS由6JA干涉显微镜改造而来，保留了原来的人工操作、读数等功能，有继承性，但已有质的发展，它类似于目前国际市场上的 wyko、zygo等公司的产品，这类国外产品价格约80万～120万人民币，而我们提供的WIVS价格约为国外产品的1/10，而性能与国外产品相当，因此有很高的性价比。
5.试验验证
为了验证WIVS轮廓测量仪的性能，我们使用该仪器对Ra=0.074µm小样板和H=0.32µm的单刻线进行多次重复测量，测量结果为：小样板Ra=0.0736µm， 单刻线H=0.315µm，重复精度在±5%以内。图5为WIVS轮廓测量仪测量小样板得出的三维和二维形貌图，图6为单刻线的三维和二维形貌图。
(a)
(b)
图5 小样板的形貌图
（a）
（b）
图5 单刻线的形貌图
