Attocube激光干涉多轴测量原理 基于IDS3010
IDS激光干涉仪测量微机械轮廓
在许多科研和工业应用中，都需要进行超精密非接触式表面测量，以确保材料的高质量，或者找出极微小的轮廓偏差。传统的干涉测量对表面垂直度要求比较苛刻，接受角比较小，往往无法测量微机械工件表面。IDS是一款光纤化、三通道位移测量激光干涉仪，该系统在测量方向上允许的表面倾角大于10度，非常适合此类应用。本文主要展示如何通过该技术获取微米直径金属圆柱的纳米精度表面形貌。
测量装置
被测量工件安装在由attocube三维定位台(ANPxyz101)和三维扫描台(ANSxyz100)构成的纳米探针台上，可在5 x 5 x 5 mm的宏动范围内进行50 x 50 x 24 μm的精细调整。图1展示了该装置的具体结构，IDS安装3个传感头对工件进行测量：第一个是外径12mm工作距离2.8mm的聚焦型探头(D12/ F2.8)，光斑尺寸大约14微米，用于测量圆柱表面（Z方向）；在与此垂直的另外两个方向上，各安装1个D4/F8聚焦型探头，用于测量X方向和Y方向的位移。这样，工件表面三个方向的坐标都可以测量，从而可实现完整的3D重建。
实际测试中，探针台只需要1分钟，就能将待测工件移动到D12/F2.8探头的焦点附近，而且一旦待测工件靠近探头焦点，干涉仪信号对比度就变得非常好。经过实测，D12/F2.8探头允许的最大Z向变化是120µm。实验测量了两个直径分别为400µm和315µm的金属微圆柱，将它们的Z向位移分别用红色和蓝色的实线绘制在图2(a)中，红色和蓝色的虚线则表示它们各自的理论外轮廓位置。图2(b)是局部放大图形，从这张图中，我们可以推断出，D12/F2.8探头的实测角度容差(接受角)大于±10°。这么大的光学接受角，恰好说明了为什么在微米级的工件表面能够这么快就完成干涉光路的光学调整。
图1: 金属微圆柱安装在3维纳米探针台上，由上方安装的探头测量z轴，x轴和y轴方向则由另外两个探头进行跟踪
图2: 两个直径分别为400μm和315μm的金属微圆柱的轮廓测量结果。在±230μm (a)范围和±50μm (b)范围内的两张图上，测量的轮廓以红色和蓝色实线显示。圆柱体的理想直径用虚线表示。图(b)的红色点线表示圆柱1的直径实测公差为±300 nm
图3: (a)直径200µm微圆柱工件的3D彩色表面形貌图，每种颜色代表z方向上100 nm高差；(b) 彩色表面形貌图的二维等高视图。
需要说明的是，如果被测表面的反射率较低(例如玻璃或蓝宝石)，类似测量的接受角会变得更大。此外，具有较大尺寸的弯曲物体(例如旋转主轴、三坐标测量机的球形探头) 也可以用类似装置通过IDS激光干涉仪进行快速测量和分析。
在图2(b)中，我们将两个微圆柱的实测轮廓(红色和蓝色实线)与理想轮廓(红色和蓝色虚线)做比较：在图形的顶部，能看到第一个微圆柱的轮廓偏差大约为300nm(红色点线构成的公差带)；第二个微圆柱工件的轮廓偏差大约为200nm。在图形的其他位置，实测轮廓与理想轮廓吻合得较好。
如果我们将干涉仪所有测量轴的结果同步起来，就可以得到3D表面重建的轮廓图。图3(a)是在40 x 28µm² 范围内测得的一根200微米直径金属微圆柱的3D表面轮廓，图3(b)是该轮廓图的二维等高图。图中我们可以观察到几个明显的变形区域：在中心位置有一个400nm左右的凹坑，而在X=0的前端位置有一片长度10微米的高原区。
结论
本文展现了IDS激光干涉仪用于精确测量微机械表面轮廓。实际上，该技术不仅能用于微机械工件的静态分析，也可以对微机械工件的运动和振动进行测量，甚至可以在外力影响下进行此类测量。
IDS3010 multi-axis laser interferometer
皮米激光测距干涉仪
该设备凭借超高测量精度脱颖而出，实现了 10 ppb 的真空波长精度与波长稳定性。其核心采用了 DFB激光器 结合 高精度参考气室 的独特技术方案，不仅保证了测量的准确性，更赋予了设备长达 10年 的使用寿命和极低的维护需求。
在设计上，它采用紧凑且模块化的架构，支持灵活的三轴测量，传感器探头直径更是小至 Ø 1.2 mm，能够轻松应对各种受限空间。此外，该设备具备极强的环境适应性，可在真空、超低温及强磁场等极端条件下稳定工作。
凭借其卓越性能，该产品被广泛应用于半导体测量与控制、精密光学测量、航空航天以及同步辐射大科学装置等前沿科技领域。