基于复合式测量方法的超精密元件跨尺度几何量计量与多参数评价

针对各种超精密元件跨尺度范围内精确、快速评价表面几何参数，实现测量数据溯源的需求，本项目提出一种光学－机械复合式测量新方法。设计集成于高精度定位平台的复合式测头，构建新型测量系统，利用激光干涉仪实现长度溯源，可将测头的测量范围扩展到25mm×25mm×5mm。该课题将显微干涉大范围光学测量方法和扫描探针高分辨力机械方法相结合，研究音叉振动调制悬臂梁探针的扫描策略和快速成像技术，使得探针能够测量复杂结构并提高测量速度；研究高精度和快速显微干涉测量时的条纹信息提取算法及多视场合成技术，实现高精度、快速的大视场测量，以满足面形信息获取的需要；研究显微干涉测量和扫描探针测量同一表面的多传感信息获取技术，通过数据互补偿提高参数测量的精度和一致性。该项目可实现纳米－微米－厘米跨尺度范围内超精密元件表面的高精度、快速计量与多参数评价，测量精度优于10nm，解决超精密元件几何量测试中的关键问题。

针对各种超精密元件跨尺度范围内精确、快速评价表面几何参数，实现测量数据溯源的需求，本项目提出了一种光学－机械复合式测量新方法，将显微干涉大范围光学测量方法和原子力显微高分辨力机械方法相结合。该项目实现了纳米－微米－厘米跨尺度范围内超精密元件表面的高精度、快速计量与多参数评价，测量精度优于10nm。. 设计集成于高精度定位平台－纳米测量机（NMM）的光学－机械复合式测头，构建了新型测量系统，利用激光干涉仪实现长度溯源，将测头的测量范围扩展到25mm×25mm×5mm。在显微干涉测量技术研究方面：提出了基于等步长相移的白光相移干涉术，提高了白光扫描干涉术的测量精度，实现了跨尺度台阶结构的测量。提出了基于白光倾斜扫描干涉术的大范围测量方法。与传统的白光垂直扫描不同，在白光倾斜扫描中，被测物体以与光轴成一定角度倾斜通过干涉物镜的相干平面。这种扫描方式，使得测量不再受干涉物镜的成像视场限制，大大扩展了系统水平方向的测量范围，提高了测试效率。在原子力显微测试技术研究方面：构建了基于自激励/自感应新型音叉探针的二自由度力学等效模型和电学模型，通过有限元仿真分析，确定了系统合理的工作频率。研究了测头信号的提取方法，并利用内嵌激光干涉仪对其进行了标定，实现了测量数据溯源到“米”定义上。研究了测头三种不同动态工作模式下的信号处理方法，包括幅度调制、自激振荡式/辅助跟踪振荡式频率调制和相位调制，采用高性能DSP器件实现了高速、稳定的反馈控制。在复合式测量技术研究方面：设计了双反馈工作模式，利用纳米测量机扩展了原子力显微测头的测量范围。研究了基于大范围纳米定位平台将AFM与白光扫描显微干涉测量相结合的复合式测量方法，提高了原子力显微测量的效率和可靠性。该方法利用白光扫描干涉方法对样品进行较大范围区域的快速测量，之后选择感兴趣的局部区域，并利用AFM对感兴趣区域进行进一步的纳米级分辨力的精密测量。依靠图像处理技术和NMM 的精密定位能力，实现两种测量方法的坐标统一。在表面几何参数评价方面：研究了台阶高度、一维栅距、二维栅格、线宽等典型微纳结构的评价方法，以及超精密加工表面多参数分析方法，一次测量即可实现表面轮廓、波纹度和粗糙度等参数的自动分离。项目已发表学术论文18篇，获得发明专利1项，培养2名博士研究生和5名硕士研究生，项目部分研究成果获得2013年度教育部技术发明一等奖。