表面结构的多尺度融合测量方法研究

With the development of modern science and technology, surface texture and its characteristics are turning into the dominant factors whether the product can achieve the design feature successfully. So the measurement of surface texture are becoming more and more important.It is difficult by the existing measurement methods to satisfy the multiscale measurement need for the product in new situation. This project intends to study the multiscale intergration measurement method for product surface texture.Based on the multiscale integration measurement sensor of white light microscopy interference image, 3D precision displacement system with large travel, nanometer level and displacement measurement, some different sacle measurement methods, such as vertical scanning white light interferometry and its stitching measurement, microscopic image measurement and stitching measurement, single nanoprobe measurement by white light interferometry and diamond probe measurement by white light interferometry, can be integrated together to meet the need of multiscale measurement for modern proguct. The study of this project is appropriate for the measurement of surface texture such as micro-sensors, micro-electromechanical systems(MEMS), nano-electromechanical systems (NEMS),optical devices and precision, ultra-precision machine parts and other multi-scale structure surface and engineering surface. Then it has a wide range of application prospects in precision and ultra-precision machining, semiconductor lithography and nano-engineering field.

随着现代科技的发展，产品的表面结构及其特性已成为能否成功实现产品设计功能的主导因素，因而其表面结构测量越来越重要。现有表面结构测量方法难以满足新形势下产品表面结构测量的多尺度要求，因此本项目拟研究产品表面结构的多尺度融合测量方法。该方法基于白光显微干涉图像的多尺度融合测量传感器，大行程、纳米级和计量型三维位移工作台，将垂直扫描白光干涉及其拼接测量、显微图像及其拼接测量、白光干涉纳米单探针及其多探针测量和白光干涉金刚石探针测量等多种不同尺度的测量方法融合，实现现代产品表面结构的多尺度融合测量。本项目的研究适用于微传感器、微机电系统（MEMS）、纳机电系统（NEMS）、光学器件和精密、超精密机械零件等多尺度结构表面和工程表面的测量。在精密及超精密加工、半导体光刻和纳米工程等领域中，具有广泛的应用前景。

随着现代科技的发展，产品的表面结构及其特性已成为能否成功实现产品设计功能的主导因素，因而其表面结构测量越来越重要。现有表面结构测量方法难以满足新形势下产品表面结构测量的多尺度要求，因此本项目提出并研究了一种产品表面结构的多尺度融合测量方法。该方法基于白光显微干涉图像的多尺度融合测量传感器，大行程、纳米级和计量型三维位移工作台，将垂直扫描白光干涉及其拼接测量、显微图像及其拼接测量、白光干涉纳米单探针及其多探针测量和白光干涉金刚石探针测量等多种不同尺度的测量方法融合，实现现代产品表面结构的多尺度融合测量。. 项目主要研究内容包括表面结构多尺度融合测量传感器、三维精密位移系统、垂直扫描白光干涉及其无缝拼接测量、显微图像及其无特征无缝拼接测量、基于白光干涉的纳米单探针及其多探针测量与拼接测量、基于白光干涉的金刚石探针测量以及二维显微图像测量、三维垂直扫描白光干涉测量、纳米探针和金刚石探针的融合测量和模式转换等七个部分。. 实验结果表明，显微图像测量对300微米标准玻璃线纹尺的示值误差为-0.251μm，标准偏差为0.4013μm；白光干涉测量对1.26μm和3.33μm单刻线样板的测量平均值分别为1.263μm 和3.328μm，示值误差分别为0.003μm和 -0.002μm，示值相对变化量为1.27%和0.63%；白光干涉纳米探针对高度为106.8±1.0nm校准光栅测量平均值为103.1nm，相对示值误差为-3.5%；白光干涉金刚石探针测量对Ra值为4.08μm样板的测量值为4.05μm，测得值的相对误差为0.74％；可见所提出的测量系统满足表面结构的多尺度融合测量要求。对于被测表面面积超过测量物镜视场的测量情况，则通过三维精密位移系统，采用子孔径拼接方法，实现被测表面结构的大面积拼接测量及二、三维融合测量。. 本项目的研究成果适用于微传感器、微机电系统（MEMS）、纳机电系统（NEMS）、光学器件和精密、超精密机械零件等多尺度结构表面和工程表面的测量。在精密及超精密加工、半导体光刻和纳米工程等领域中，具有广泛的应用前景。