用于表面轮廓分析和计量的干涉测量技术

概述

在精密工程和制造领域，材料表面的精确测量和表征对于生产过程的质量控制非常重要。干涉测量技术是表面轮廓测量和计量的强大工具，具有高精度和非接触测量能力。本文探讨了干涉测量技术背后的原理、各种应用以及展示其先进性的最新相关研究。

干涉测量技术

在表面轮廓测量和计量学中，干涉测量技术利用光波的干涉来确定光路长度的微小变化。最常见的干涉测量技术包括迈克尔逊干涉测量法、白光干涉测量法和全息干涉测量法。

干涉工作原理

迈克尔逊干涉测量法

迈克尔逊干涉测量法是一种基本的干涉测量技术，它使用分束器将光束分成两路，分别从参考表面和样品表面反射，然后在分束器处重新结合。由此产生的干涉图案通过光路长度的变化分析提供表面形貌信息。

迈克尔逊干涉仪基本光路图

迈克尔逊干涉仪结构介绍

白光干涉测量法

白光干涉测量法或相干扫描干涉测量法采用宽带光源，利用不同波长光的干涉作用，可同时测量表面上的多个点。白光干涉仪对于测量具有陡坡和不连续性的表面尤为有效。

ZYGO公司的Nexview™ NX2 3D 光学轮廓仪

全息干涉测量法

在全息干涉测量法中，在表面变形前后记录全息图。这些全息图之间的干涉图揭示了表面的形状和变化信息。

Optonor公司的Vibromap1000系列产品

干涉测量技术的应用

干涉测量技术因其精确和高分辨率的表面轮廓测量而在多个行业领域得到应用。例如，在微电子行业，集成电路制造需要亚微米精度，而干涉测量技术可确保精确测量晶圆表面粗糙度和台阶高度等特征，有助于生产高性能电子器件。同样，干涉测量技术也被广泛用于测量透镜、反射镜和其他光学元件的表面平整度、不规则性和形状误差等参数。在医疗设备制造领域，尤其是镜片和植入物等部件，干涉测量技术可确保成品的质量。同样，航空航天业也依靠干涉测量技术来鉴定涡轮叶片和航空航天结构等关键部件的表面。

OptoTech Optikmaschinen GmbH公司的OWI 60 HP系列Fizeau干涉仪用于测量微光学领域的光学元件

最新研究
 

利用轴向偏移映射进行精确表面表征

最近的一项研究引入了轴向偏移映射 (ASM)，这是一种 Fizeau 干涉测量方法，用于提取圆柱形光学器件，特别是 X 射线望远镜反射镜的完整表面轮廓。X 射线望远镜反射镜设计为离轴抛物面和超抛物面，需要精确的表面特征描述才能获得最佳性能。

研究的目标是使表面不确定度达到 5 nm 均方根（RMS）或更高，以满足高分辨率 X 射线成像的严格要求。ASM 可减轻光学零位和参考表面带来的不确定度。该方法涉及横向剪切测量，解决了轴向移动过程中刚体误差引起的二次模糊问题。实验结果表明，该方法成功地提取了圆柱形反射镜的全表面，为未来以亚弧秒角分辨率为目标的 X 射线望远镜设计提供了重要进展。

高清晰度 SLM 干涉测量法

在最近的一项研究中，研究人员介绍了使用高清晰度空间光调制器（SLM）作为计算机生成全息图的可重新配置替代方案，在零位干涉检测方面取得的进展。该研究概述了一种独特的对准过程，使用 SLM 在测试部件上投射靶标。研究人员利用基于 SLM 的系统测量离轴圆锥曲线，并使用传统干涉测量法在 30 nm RMS 表面数字范围内进行交叉验证，从而验证了对准过程。

该研究介绍了对 65 mm透明孔径凹面自由曲面光学器件的零位检测，其峰谷下垂偏离为 91 μm。与商用计量仪器相比，自由曲面的测量表面形状精度在 40 nm RMS 范围内。研究人员利用了具有 1152 × 1920 像素的反射式 SLM、高相位调制范围和相位包裹技术来增加波前范围。这些新功能有助于测试迄今为止在基于 SLM 的零位检测中报告的最大孔径和最严重的自由曲面下陷偏离。

挑战
 

干涉测量技术面临着多项挑战，研究人员正致力于解决这些挑战。例如，在振动或温度波动的环境中实现稳定的性能是一项重大挑战。校准的复杂性和对熟练操作人员的要求也带来了额外的挑战。同样，将干涉测量无缝集成到某些制造流程中也很困难。要将干涉测量技术用于各种应用，解决这些难题至关重要。

结论
 

总之，干涉测量技术是精密工程中的重要工具，可为表面轮廓测量和计量提供精度和非接触能力。从迈克尔逊干涉测量法到高清晰度 SLM 的发展，这些方法为各行各业带来了革命性的变化，确保了微电子、光学元件制造、医疗设备和航空航天领域的质量控制。最近的研究，如轴向偏移映射和高清晰度 SLM 干涉测量，体现了在实现亚微米精度方面对卓越的不断追求。然而，环境鲁棒性和校准复杂性等挑战仍然是未来发展的研究空白。克服这些障碍对于拓展干涉测量技术在各行各业的应用潜力非常重要。

参考文献：

1. Romita Chaudhuri等人，《Implementation of a null test for freeform optics using a high-definition spatial light modulator》，《Optics Express》（2022）。

2. Hayden J. Wisniewski等人，《Absolute surface metrology of x-ray telescope mirrors through axial shift mapping》，《In Proc. of SPIE》（2023）。