相干扫描干涉法测量高边坡零件

必须在可接受的吞吐量和足够的数据覆盖之间进行不满意的妥协，因为测量高斜率机加工零件，因为计量工具通常涉及测量速度和斜坡接受之间的某种权衡。例如，对于光学系统，虽然高度目标具有更高的斜率接受，但通常具有较小的视野（FOV）。如果感兴趣区域超过单个FOV，这导致更单独的测量。

大偏离和凹进的特点带来了额外的挑战，强加一个最小的工作距离。这通常还涉及到对坡度接受度的权衡。

加工零件一般由相干扫描干涉法(CSI)。CSI在光滑、高反射率表面[1]-[2]上提供了典型的单次测量地形重复性小于1 nm的非接触式面积地形图。物镜的放大倍数通常从1倍到100倍不等。理想情况下，最高的局部坡度θ_马克斯落在目标NA的镜面限制内，以满足条件Na> Sin（θ_马克斯）.然而，在实际操作中，由于最小工作距离或场地大小/吞吐量的限制，或由于成本和可用性的考虑，可能需要较低的na目标。幸运的是，如果一些光被散射(通常是由于表面粗糙度)，并且测量足够灵敏，就可以量化超出镜面限制的斜率。然而，在过去，即使在这样的条件下，CSI也很难测量高边坡部分。

最近的技术发展大大提高了CSI的基线敏感性，使高动态范围操作能够实现。这使得能够测量早期无法访问的凹陷或高斜率功能，或用于增强吞吐量的更大的FOV。

测量和分析

现代商业CSI显微镜用于测量各种加工零件[3]。图1示意性地展示了CSI的操作，它通过扫描相对于被测量样本的干涉物镜，生成确定摄像机所有像素处样本高度的局部干涉图样。因此，区域地形数据是通过在相机的全视场上的最佳聚焦的相应位置进行一次扫描生成的。任何类型的干涉物镜都可以使用，包括迈克尔逊，米罗，林尼克，或宽视场[4]-[5]物镜。

图1所示。相干扫描干涉术原理图

对于本文给出的结果，基线数据采集时间约为每微米扫描0.14秒。原始高度数据在所有的表面图中表示，没有遮挡、平滑或缺失数据点的插值。动态降噪(DNR)用于检测特别微弱的信号，允许用户在灵敏度和吞吐量之间进行权衡，同时保持完整的横向和垂直分辨率[6]。

超过镜面限制的斜坡

图2中示出了具有90°的包含夹角的菱形锥，其中锥体的最外径为4mm，表面粗糙度相对较低（s_一个~ 1.1 nm，用10X迈克尔逊物镜在正入射下测量)。需要一个NA > 0.7的物镜来适应在镜面限制内的45°倾斜。然而，在实践中，这将涉及拼接超过数百视场，可能是不可接受的吞吐量。

图2。在单个视场中测量直径为5毫米的菱形90°锥体。上:部分照片;底部:测量高度图。

在单个FOV中测量锥体需要低于0.7的低MAG物镜。使用传统的CSI进行这种测量可能仅产生少量数据。然而，也可以提供有价值的提示：可以检测镜面上方的斜率下的数据意味着散射光。

通过使用2.5X迈克尔逊物镜(NA = 0.075)和4X DNR(基线测量时间增加16X)，可以实现几乎全部的数据覆盖。这些数据是测量圆度和锥角的理想数据。

球面特性有近90°的斜坡，并在各种应用中发现，如密封面和球轴承。随着直径的增大，球形特征的测量变得更加困难:需要高坡度来增加视场和工作距离。

图3为在5.5X迈克尔逊(NA = 0.15)单视场测量的直径为3 mm的喷油器密封球。对于超过60°的局部斜坡，实现了几乎全部的数据覆盖。同样的物镜用于测量表面粗糙度(S_一个)，约为0.1µm。

图3。直径为3毫米的密封球在单视场测量的局部斜坡60°

即使需要拼接，进入更大的视场也是有利的。这包括提高吞吐量，更快地定位功能表面和数据表面。使用更少的视场数也减少了形状误差，这是由于从更小孔径的高度图拼接多个切片数据造成的。

金刚石立铣刀[7]在三个位置进行磨损实验，产生超过70°的局部斜坡如图4所示。看起来这可能需要缝合数百个高na尺寸。然而，使用20X Mirau物镜(NA = 0.4，镜面限~23°)只拼接了~20个视场即可获得完整的数据覆盖，在整个工具长度上获得了0.4-µm的横向采样(0.9-µm光学分辨率)和nm尺度的垂直分辨率，总测量时间仅为9分钟。

图4。端铣用0.4µm的采µm，长7.2 mm, 145µm扫描时间约为9分钟。部分照片见左下插图。

成功地测量超过镜面极限的斜坡依赖于几个贡献，包括空间频率相关的表面粗糙度和S_一个的样本。

嵌入高斜坡

有时，高坡地物是凹陷的，位于相邻地物以下一段距离。常见的例子包括孔内的圆锥体和沿轴外部的肩。凹进的特征作为密封或安装表面，具有相应的关键参数，如圆度，半径和角度。

为了光学测量这些关键参数，需要一个具有足够工作距离的目标来容纳凹坑深度。这就减少了低na目标的选择，这就迫使测量必须使用任何可用的散射光。用传统的CSI来测量一些极端的凹陷高边坡是不现实的。

表面粗糙的未完工喷油器的照片_一个~ 1µm如图5所示。喷油器安装在发动机缸体上的肩部由突出的区域表示。该肩台的几何形状是确保适当密封的关键因素，其特征是在两个陡坡区域相交处形成的周向半径。

图5。喷油器的照片，安装肩区域用黄色标出

早些时候，肩部的测量需要缝合几个更高放大倍数的测量值，并避免机械干涉其他部分。图6显示了工作距离为40mm的专用5X迈克尔逊(NA = 0.12)在单个视场中捕获的测量结果。尽管局部坡度高达45°，也能实现几乎全部的数据覆盖。

图6。测量喷油器肩区，突出与发动机缸体适当密封的临界半径

图7描绘了一个电馈通组件，由许多~ 1厘米的引脚组成，由玻璃覆层固定，并在金属外壳内凹入~ 1毫米。除了阻挡针外，测量玻璃轮廓的困难包括由于较低的粗糙度和折射率而相对较弱的散射，以及可达~ 15°的适度局部坡度。

图7。电子导孔组装。最重要的是玻璃覆层，嵌在金属外壳的下方，并沿外壳外延伸约1厘米的引脚。高度图中的蓝色区域对应于玻璃，缺失的数据表示引脚的位置。

使用5.5X迈克尔逊(NA = 0.15)可以得到玻璃包层的几乎全数据覆盖，缺失点主要对应于被封装的引脚的位置。采用高动态范围(HDR)模式，结合不同光照水平[6]的扫描，以有效管理宽范围的部分反射(金属vs.倾斜玻璃)。

近乎垂直的山坡上

最大可测斜率是目标NA和被测地表有效反射率的函数。到目前为止，本文所呈现的例子大多与使用较低NA目标的测量有关。因此，当NA越高时，测量出的斜率会变得多高是很有趣的。

对于使用50X Mirau物镜(NA = 0.55，镜下极限~33°)在单视场测量的皮下针头，测量的斜率任意接近于垂直，如图8所示。在所有现有坡度为74°和82°的斜面上，都获得了数据。沿近垂直的外管表面(坡度大于89°)也获得了数据。如前所述，没有掩蔽或插值，在孔区域没有假数据。

图8。皮下针在一个视场内测量。左上:设置的照片。右:获得超过1.8 mm扫描范围的数据。左下:相同的数据旋转显示测量坡度高达89°和钻孔区域的自动识别。

结论

由于最近的技术进步，提高了对微弱干涉信号的灵敏度，通过CSI可以测量高斜率和凹坑特征，这是以前不可能使用该技术。除了提高基线灵敏度外，技术进步还包括进一步扩展动态范围的工具，如HDR和DNR[6]。如上述例子所示，现在甚至可以测量89°的坡度。

总的来说，这些改进允许更大的目标选择纬度，并使操作在更大的视场上获得更好的吞吐量，在更大的工作距离上更容易使用。

致谢

本文中提出的原始工作得益于Eric Felkel、Nate Gilfoy、Mackenzie Massey和Dan Russano的关键贡献和投入。

参考

相干扫描干涉术。正确的做法:Leach R，编辑。表面形貌的光学测量。柏林:施普林格1 -;2011.p . 187 - 208。

[25178-604:2013(E):几何产品规范(GPS) -表面纹理:面积-非接触(相干扫描干涉显微镜)仪器的名义特性]国际标准化组织，日内瓦，2013。

Zygo Corporation， [NexView Optical Profiler]，规格表SS-0095 09/12(2013)。

[4] J. Biegen, X. Colonna de Lega和P. de Groot，“精密工程表面的面状形貌的宽场干涉显微镜”，ASPE年会，论文4111 (Boston, 2014)。

[5] P.J. de Goot，L.L.L.Deck，J.F.Biegen和C.Koliopoulos“二元路径干涉仪”，美国专利8,045,175（2011）。

[6] Fay，M. F.，Colonna de Lega，X.和De Groot，P.测量高斜率和超光滑光学，具有高动态范围的相干扫描干涉法。Proc。OSA，2014：1981102。

[7]感谢北卡罗来纳大学克里斯埃文斯教授和克洛斯·克洛斯（机械工程和工程科学）。欧洲杯线上买球

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