用于二維線紋測(cè)量的二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡

李華豐，王霽，朱振宇，蘭一兵，李強(qiáng)

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

二維線紋樣板利用一組交叉十字刻線定義平面內(nèi)的點(diǎn)坐標(biāo)，常用于影像測(cè)量?jī)x、光學(xué)成像系統(tǒng)等視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)與畸變檢測(cè)［1-2］。

二維線紋樣板的量值傳遞過(guò)程中，需要進(jìn)行高精度可溯源測(cè)量。對(duì)二維線紋進(jìn)行溯源測(cè)量的關(guān)鍵是對(duì)其刻線進(jìn)行高精度瞄準(zhǔn)，刻線瞄準(zhǔn)方法決定了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和溯源性。

工業(yè)領(lǐng)域常采用成像法進(jìn)行二維線紋的精密測(cè)量與校準(zhǔn)，將被測(cè)樣板經(jīng)光學(xué)成像系統(tǒng)放大后投影在CCD 靶面上，采集圖像，處理圖像信息擬合出刻線及位置坐標(biāo)［3］。該方法的測(cè)量精度受到成像系統(tǒng)精度的限制，一般僅能達(dá)到微米級(jí)［4］。而且其與二維線紋所要校準(zhǔn)的儀器設(shè)備采用相同的工作原理，無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的直接溯源。

更精確的二維線紋測(cè)量采用干涉儀與成像系統(tǒng)相結(jié)合的局部成像瞄準(zhǔn)法，成像系統(tǒng)只對(duì)刻線附近的小區(qū)域進(jìn)行光學(xué)放大并處理圖像，實(shí)現(xiàn)小范圍的測(cè)量與瞄準(zhǔn)，大范圍測(cè)量則由干涉測(cè)量系統(tǒng)完成，測(cè)量結(jié)果由這兩部分組合而成［5］。這種方法可采用高倍率光學(xué)成像系統(tǒng)，瞄準(zhǔn)分辨力較高，測(cè)量結(jié)果中的干涉測(cè)量部分可直接溯源到國(guó)際米定義。

本文介紹一種利用光電顯微鏡對(duì)刻線進(jìn)行二維對(duì)線瞄準(zhǔn)的裝置。將刻線的像分別呈現(xiàn)在相互垂直的兩組狹縫上，利用刻線像與狹縫的相對(duì)位置關(guān)系判斷瞄準(zhǔn)位置。本方法中二維光電顯微鏡只作為瞄準(zhǔn)裝置，不參與位置測(cè)量，坐標(biāo)數(shù)據(jù)完全由干涉測(cè)量系統(tǒng)獲得，因此其測(cè)量結(jié)果能夠?qū)崿F(xiàn)完全溯源。

1 二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡結(jié)構(gòu)

二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡是在一維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。

二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡將二維線紋樣板上十字刻線的像呈現(xiàn)在兩組狹縫上;每組狹縫與十字刻線中一條線的像平行，狹縫寬度與刻線像的寬度基本一致，且該組中的兩條狹縫在刻線像空間上錯(cuò)開(kāi)一個(gè)狹縫寬度的距離。當(dāng)二維線紋樣板沿該方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，刻線的像在兩條狹縫中先后出現(xiàn)，導(dǎo)致狹縫的光通量依次變化，對(duì)應(yīng)的光電接收器輸出信號(hào)存在一定相位差，通過(guò)比較兩路光電信號(hào)的強(qiáng)度，即可得到對(duì)應(yīng)刻線的瞄準(zhǔn)位置。

二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡由照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、狹縫對(duì)齊系統(tǒng)、信號(hào)采集處理系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)組成。照明系統(tǒng)為被測(cè)樣品提供照明;成像系統(tǒng)將刻線進(jìn)行光學(xué)放大，形成刻線放大的實(shí)像;分光系統(tǒng)將刻線的像進(jìn)行分配，分別呈現(xiàn)在四個(gè)狹縫上;狹縫對(duì)齊系統(tǒng)包括兩組相互垂直的狹縫，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)十字刻線對(duì)齊;信號(hào)采集處理系統(tǒng)采集狹縫的光通量，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，判斷光強(qiáng)大小并發(fā)出瞄準(zhǔn)脈沖;監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)刻線圖像與狹縫位置的觀察。

二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)原理圖

圖1 中，由照明光源、照明分光鏡、顯微鏡頭組成照明系統(tǒng)，將光纖引入的冷光照射在二維線紋樣板上的被測(cè)區(qū)域。顯微鏡頭將被測(cè)刻線成放大實(shí)像。主分光鏡、X 向分光鏡、Y 向分光鏡組成分光系統(tǒng)，將刻線的實(shí)像等分成強(qiáng)度相同的4 份并分別呈現(xiàn)在相應(yīng)的狹縫上。X，Y 向各兩個(gè)狹縫組成狹縫對(duì)齊系統(tǒng)，狹縫寬度與被測(cè)刻線的像寬度基本一致，其中X 向兩個(gè)狹縫與十字刻線X 方向的刻線像平行，并且兩狹縫在刻線像空間上沿其垂直方向錯(cuò)開(kāi)一個(gè)像寬度的距離;Y向兩個(gè)狹縫關(guān)系與之類(lèi)似。光電接收器及后續(xù)的信號(hào)處理電路組成信號(hào)采集處理系統(tǒng)，接收狹縫透光區(qū)域透過(guò)的刻線反射光;CCD 鏡頭與CCD 接收器組成監(jiān)視系統(tǒng)，接收被四個(gè)狹縫反光區(qū)域反射出的十字刻線的像。

二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為:利用相互垂直的兩組狹縫作為光學(xué)瞄準(zhǔn)的基準(zhǔn)，每次瞄準(zhǔn)具有相同的空間基準(zhǔn)，測(cè)量結(jié)果中可以自動(dòng)抵消光學(xué)系統(tǒng)成像誤差造成的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)差;每個(gè)方向均采用雙狹縫差動(dòng)瞄準(zhǔn)方法，可自動(dòng)抵消由于照明光源、樣品反射程度變化造成的瞄準(zhǔn)誤差;X，Y 方向的光路對(duì)稱，相互獨(dú)立，信號(hào)信噪比相當(dāng)，具有相同的瞄準(zhǔn)精度;采用狹縫光通量比較法，可自動(dòng)均化刻線制造瑕疵對(duì)瞄準(zhǔn)過(guò)程的影響，系統(tǒng)瞄準(zhǔn)測(cè)量重復(fù)性高。

圖2 為二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。光電接收器為高靈敏度光電倍增管，能夠接收透過(guò)狹縫區(qū)域的微弱光能量信號(hào);分光鏡采用分光平片，可以減少介質(zhì)分界面多次反射對(duì)成像質(zhì)量的影響;采用長(zhǎng)焦大景深遠(yuǎn)心鏡頭作為顯微鏡頭，長(zhǎng)焦鏡頭可以增加顯微鏡與被測(cè)樣品的距離，便于樣品的安裝調(diào)整，大景深遠(yuǎn)心鏡頭允許樣品與鏡頭距離小范圍變化，便于大面積樣品的測(cè)量;以光纖冷光源作為照明光源，可以減小光源發(fā)熱對(duì)瞄準(zhǔn)測(cè)量的影響。

圖2 二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2 二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡信號(hào)分析

二維線紋十字刻線的像通過(guò)狹縫后，被光電接收器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)。

二維線紋樣板沿X 方向運(yùn)動(dòng)，其刻線像滑過(guò)X 向狹縫過(guò)程中，對(duì)應(yīng)光電轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)的變化如圖3所示。理想條件下，光電接收器信號(hào)輸出幅度隨位移的變化為一三角波信號(hào)。由于同組兩個(gè)狹縫在像空間上錯(cuò)開(kāi)一個(gè)狹縫距離，對(duì)應(yīng)光電信號(hào)存在一定相位差。

圖3 狹縫光強(qiáng)信號(hào)圖

使用二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡瞄準(zhǔn)時(shí)，被測(cè)二維線紋樣板做穩(wěn)速掃描運(yùn)動(dòng)，光電信號(hào)隨時(shí)間的變化波形與圖3 類(lèi)似。

對(duì)光電信號(hào)的處理可以采用同步數(shù)據(jù)采集法和幅度比較法。

利用同步數(shù)據(jù)采集法可高速同步采集光電信號(hào)幅度及對(duì)應(yīng)位移信號(hào)，并由此找尋到刻線像與狹縫對(duì)齊的位置，即圖3 中光電信號(hào)的頂點(diǎn)位置。這種方法每個(gè)方向只需要一路光電信號(hào)，可以簡(jiǎn)化光路;缺點(diǎn)是需要采集、傳輸、實(shí)時(shí)處理大量數(shù)據(jù)，信號(hào)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，引入的數(shù)字噪聲較大，實(shí)時(shí)性差，測(cè)量速度較慢，不適合大面積、多刻線測(cè)量。

采用幅度比較法可實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)狀態(tài)的判斷，通過(guò)比較同組兩路光電信號(hào)的幅度，在兩信號(hào)幅度相等的瞬間發(fā)出瞄準(zhǔn)信號(hào)。該方法信號(hào)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，可進(jìn)行高速掃描測(cè)量;利用差動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)，可以自動(dòng)抵消照明光源波動(dòng)、樣品反射特性變化對(duì)瞄準(zhǔn)的影響，提高瞄準(zhǔn)精度。

在實(shí)際的二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡系統(tǒng)中，由于成像系統(tǒng)存在畸變、分光系統(tǒng)存在多次反射、刻線像邊緣存在衍射，以及光電接收器的帶寬限制，光電輸出為一“鐘”形信號(hào)，如圖4所示。

對(duì)于動(dòng)態(tài)瞄準(zhǔn)方法，兩光電信號(hào)的交叉時(shí)刻即為光電顯微鏡的瞄準(zhǔn)時(shí)刻，即圖4 中的t1，t4時(shí)刻，該時(shí)刻的坐標(biāo)位置x1，x4即為被測(cè)刻線的坐標(biāo)，刻線間的距離為x4x1。由于信號(hào)處理系統(tǒng)的電路延遲，瞄準(zhǔn)信號(hào)在t2，t5時(shí)刻發(fā)出，瞄準(zhǔn)信號(hào)傳輸?shù)綔y(cè)量系統(tǒng)并鎖定位置數(shù)據(jù)則在t3，t6時(shí)刻，即實(shí)際得到的位置坐標(biāo)為x3，x6，測(cè)得的刻線間距為x6x3。測(cè)量間距與實(shí)際間距的差別即為兩次瞄準(zhǔn)的延遲時(shí)間內(nèi)由于工作臺(tái)速度差異導(dǎo)致的位移差。

圖4 動(dòng)態(tài)瞄準(zhǔn)過(guò)程時(shí)間與坐標(biāo)延遲分析

在二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡中，信號(hào)處理電路的瞄準(zhǔn)脈沖延遲時(shí)間Δt1=50 μs，測(cè)量系統(tǒng)中干涉儀響應(yīng)時(shí)間Δt2=1μs，則由于工作臺(tái)速度波動(dòng)造成的瞄準(zhǔn)誤差為式中:Δv 為兩次瞄準(zhǔn)延遲時(shí)間內(nèi)的平均速度差。

二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡的瞄準(zhǔn)重復(fù)性指標(biāo)為50 nm，設(shè)速度變化對(duì)其貢獻(xiàn)為10 nm，則最大允許速度變化量Δvmax≈0.2 mm/s，當(dāng)工作臺(tái)以3 mm/s 速度運(yùn)行時(shí)，其速度波動(dòng)量需在6.7%以內(nèi)。

3 二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡瞄準(zhǔn)重復(fù)性試驗(yàn)

為驗(yàn)證二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡瞄準(zhǔn)重復(fù)性，按照J(rèn)JG 331-1994《激光干涉比長(zhǎng)儀檢定規(guī)程》中關(guān)于比長(zhǎng)儀的測(cè)量重復(fù)性檢定方法的規(guī)定［6-7］，對(duì)利用二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡的二維線紋標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行了測(cè)量重復(fù)性試驗(yàn)，利用一等線紋尺分別對(duì)X，Y 方向的測(cè)量重復(fù)性進(jìn)行了驗(yàn)證，取線紋尺任意一端的連續(xù)10 mm 的間隔，重復(fù)測(cè)量14 次，以測(cè)量結(jié)果的總不確定度作為儀器單次測(cè)量的不確定度。在連續(xù)10 天中，分別在X，Y 方向上進(jìn)行了10 組觀測(cè)，依據(jù)測(cè)量結(jié)果給出的測(cè)量重復(fù)性如表1所示。

表1 二維線紋標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量重復(fù)性

從表1 中數(shù)據(jù)可以看出，二維線紋標(biāo)準(zhǔn)裝置在X，Y 方向上的測(cè)量重復(fù)性均優(yōu)于50 nm，且兩個(gè)方向上的數(shù)據(jù)相當(dāng)，可知作為瞄準(zhǔn)部件的二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡在X，Y 方向上的瞄準(zhǔn)重復(fù)性均優(yōu)于50 nm。

4 結(jié)論

文中介紹了二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡結(jié)構(gòu)。采用對(duì)稱分光光路實(shí)現(xiàn)X，Y 方向上的等精度瞄準(zhǔn);利用在像空間上相互垂直的兩組狹縫分別實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向上的瞄準(zhǔn);采用差動(dòng)比較法實(shí)現(xiàn)同組兩路信號(hào)的差動(dòng)瞄準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)瞄準(zhǔn)過(guò)程的延遲分析推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)速度穩(wěn)定性對(duì)動(dòng)態(tài)瞄準(zhǔn)精度的影響，得到二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡對(duì)掃描測(cè)量系統(tǒng)速度穩(wěn)定性的要求。試驗(yàn)表明，二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡能夠在X，Y 兩個(gè)方向的瞄準(zhǔn)重復(fù)性均能達(dá)到50 nm。

二維動(dòng)態(tài)光電顯微鏡能夠?qū)崿F(xiàn)二維線紋的非接觸動(dòng)態(tài)高精度瞄準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)二維線紋等二維標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)量的完全溯源;其測(cè)量速度快，便于實(shí)現(xiàn)大面積測(cè)量。

［1］北京杏林睿光科技有限公司.標(biāo)定板、二維測(cè)微尺［EB/OL］.［2015-03-09］.http://www.real- light.com/ products_ detail/＆productId=285.html.

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