散斑干涉实验系统

自2019年5月20日起，新的国际单位制正式实施，其中质量的单位千克启用了基于普朗克常数的新定义。能量天平是我国自主的千克新定义复现方案，该方案由中国计量科学研究院张钟华院士提出。能量天平利用电磁力做功与电磁场能量变化之间的转换与平衡，建立普朗克常数与被测砝码质量之间的桥梁。图1 能量天平结构示意图与测量原理电磁力做功量的测量涉及电磁力大小的测量和线圈相对位移测量两方面。因此，悬挂线圈与激励磁体的相对位移测量系统至关重要。它不仅实现了能量天平对于“米”的量子化基准的溯源，而且在保证能量天平积分区间的一致性上也发挥了关键作用。能量天平采用外差激光干涉测量系统对悬挂线圈与激励磁体的相对位移进行测量（图2），但该干涉测量系统存在较大的光学闲区（图3），进而影响了能量天平在空气环境中运行时位移测量的准确性。图2 能量天平激光干涉测量系统图3 能量天平光学闲区示意图近日，发表于《计量科学与技术-中国计量科学研究院专刊（2022）》的文章“能量天平激光干涉测量系统闲区长度测量方法研究”，对能量天平干涉测量系统中闲区长度测量方法进行了分析与讨论。主要成果（1）提出了基于真空/空气环境光程差测量的光学闲区长度测量方法。该方法利用能量天平的真空系统改变光学闲区的空气折射率；利用激光干涉系统测量折射率改变过程中的光程变化，进而测得光学闲区的长度，将原毫米量级的闲区长度测量不确定度抑制至4 μm，大大提高了光学闲区长度的测量能力。（2）利用光学闲区长度表征的绝对距离，实现了对能量天平激励磁体与悬挂线圈间相对零位的测量，以保证悬挂线圈系统位于磁体的均匀区范围。该相对零位的标准测量不确定度达到了54.2 μm。此项研究得到了国家自然科学基金青年基金项目(51805507)的支持。能量天平科研团队简介重新定义千克曾被《Nature》列为世界性的科研难题。张钟华院士向这一科研难题发起了挑战，提出了基于全静态测量的能量天平方案，该方案被《Metrologia》列为国际三种千克量子化定义与复现方法之一。目前，能量天平由李正坤研究员带领的年轻团队接力攻关。该团队连续攻克了高匀场激励磁体设计、准静态磁链差测量、外磁屏蔽方法优化、真空超精密几何量测量、能量天平准直误差理论与技术、超高直线度重载驱动方法与装置等一系列科研难题，建立了第二代能量天平装置NIM-2，其实物图如图5所示。该装置于2019~2020年间，代表中国参加了千克新定义后的首次千克复现方法国际关键比对（CCM.M-K8.2019）。经国际计量局对各国的数据综合评定，能量天平的测量结果与比对参考值（KCRV）的相对偏差为1.17E-8，相对标准不确定度为4.49E-8，比对结果如图6所示。该测量数据已成功用于首个国际质量共识值（the Consensus Value）的评定，进而用于SI新定义后全球质量量值传递。能量天平的研究工作，为建立我国自主的质量量子化基准装置提供了重要的技术支撑。图5 能量天平装置实物图图6 首次千克复现方法国际关键比对（CCM.M-K8.2019）比对结果

在超精密的测量和校准方面，激光干涉仪已经扮演多年极重要的角色。但是近年来随着自动化运动系统性能大幅提高，面对半导体和传统金属加工业的需求，现有激光系统的性能已无法满足一些客户的要求。 Renishaw的新型XL-80激光干涉仪能够满足和超越实际工业规范水平，提供4 m/s最大的测量速度和50 kHz记录速率。即使在最高的数据记录速率下，系统准确性可达到± 0.5ppm（线性模式）和1纳米的分辨率，这些改进意味着工程师仍能使用可溯源性激光干涉的独特优势，帮助解决现代化机器设计问题。 系统精度比原有的对应产品ML10激光系统有所提升，在整个日常温度、气压和湿度不同工作环境下，均可达到± 0.5 ppm的精度。环境读数使用XC-80智能传感系统进行读取，每7秒更新一次激光读数补偿值。还有一点很重要，与Renishaw的ML10系统一样，所有测量值均采用稳定的氦氖激光源的波长为基准，保证能够溯源至国际公认的长度标准。 此新系统可以与现有的ML10系统光学镜组完全兼容，使目前全球数千ML10用户能够升级到新系统，并同时保留其在光学镜组、程序和人员培训上的原有投资。 我们还提供已更新的Renishaw软件版本（LaserXL™ 及QuickViewXL™ ），能够以用户熟悉的、易于使用的格式提供数据。Laser XL™ 能够执行循序渐进式的测量，以方便对大多数机床按标准进行检验，QuickViewXL™ 软件能够在屏幕上实时地显示激光读数。 您只要看一眼Renishaw的新型XL-80激光装置和XC-80补偿器，就会注意到它们比原有的ML10和EC10小了许多。现在，二者总重仅3公斤多一点（包括连接电缆、电源和传感器），比原来减轻了70%。当然，随着激光头和补偿器尺寸减小，其他系统组件，例如三脚架和云台也相应地减小以便相配，因此整个系统（除了三脚架）的装运箱减小了许多。现在，最小的“脚轮箱”只有原来箱子的一半大一点点，却可以携带整个线性和角度测量系统，并有放置Renishaw QC10球杆仪组件的位置。这个高度便携的“检查和修正”系统总重不到15公斤，同类产品无以匹敌。 为了与系统的其他组件的便携性相匹配，我们设计了新型三脚架和装运箱，仅重6.2公斤。 激光头和云台体积很小，能够方便地固定在标准磁性座上，可以在不方便使用三脚架固定的应用条件下使用。XL-80激光测量系统的光束高度和光学镜组尺寸与ML10系统一样，因此也可以直接放在花岗岩工作台（不使用三脚架云台）上，进行坐标测量机的校准。 Renishaw已将激光的预热时间缩短至大约仅6分钟。预热速度较同类系统快，因此用户等待时间减少了，用于测量工作的几率增加了，这对于机器校准服务商和那些需要在一个地点执行多项测量的用户而言非常重要。 现在，信号增益的开启和关闭是一项标准功能，使其具有80米线性测量距离的能力。若短距离应用时，则可以提高信号强度。激光信号通过USB连线直接输出到电脑上（无需单独的接口），辅助功能端口可提供模拟信号及工厂按需设定的数字信号输出。XL-80激光头的配置集原ML10G/Q/X多种任选功能于一体，功能更完善。 XL-80系统具有长达3年标准的全面保修，并可以以优惠的价格选购延长保修时间为5年。对于使用ML10的老用户和使用其他厂商制造的同类系统的新客户，我们均提供一些特别优惠政策。请联络Renishaw各办事处。

p 　　 strong 仪器信息网讯 /strong 2019年3月5日，日立高新技术科学公司宣布，在中国开始销售利用光干涉原理进行非接触式无损伤三维表面形态测量的纳米尺度3D光学干涉测量系统——VS1800 span style=" color: rgb(0, 176, 240) text-decoration: underline " 【 /span a href=" https://www.instrument.com.cn/netshow/C316288.htm" target=" _blank" style=" color: rgb(0, 176, 240) text-decoration: underline " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 产品链接 /span /a span style=" color: rgb(0, 176, 240) text-decoration: underline " 】 /span 。据悉，VS1800于2018年年底在日本发布并销售，今日起，中国市场正式开始发售。 /p p 　　VS1800搭配有支持多目的表面测量国际标准“ISO 25178*1参数对比工具”，通过简单而准确的样品测量支持客户的分析业务，与此同时，凭借不断创新积累的三维测量性能，实现高精度、高分辨率的表面性状的测量。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201903/uepic/f8ecf284-1695-4c8e-bf63-a2c0093622f0.jpg" title=" 1.jpg" alt=" 1.jpg" style=" width: 300px height: 423px " width=" 300" vspace=" 0" height=" 423" border=" 0" / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " VS1800：通过分析工具和测量技术支持三维表面性状测量 /span /p p 　 strong 　 span style=" background-color: rgb(112, 48, 160) color: rgb(255, 255, 255) " 产品开发背景 /span /strong /p p 　　在半导体、汽车、食品、医药品等产业领域的材料研究和开发方面，为了提高产品的性能与功能，对产品表面的粗糙度、凸凹不平、翘曲等表面形状的评估变得尤其重要。以往，表面形态的测量方法，一般是采用 strong 触针式粗糙度测量仪等进行二维测量(线+高差) /strong 。但近年来，伴随着材料的薄膜化和微细构造化的加速，需要能够获取更多的信息，传统测量手段受到限制。进而，采用 strong 扫描型白光干涉显微镜*2和激光显微镜*3等进行三维测量(面+高差) /strong 便得到了进一步灵活应用。 /p p 　　此外，2010年，三维表面形态评估的国际标准ISO 25178的制定，确立了评估方法，在此背景下，实施三维测量的企业和研究机构等日益增多。随之，表面形态测量上的测量与分析的简单化以及应对多种样品的测量等问题日益凸显，为解决这些测量问题，VS1800应运而生。 /p p 　　 span style=" background-color: rgb(112, 48, 160) color: rgb(255, 255, 255) " strong 产品解决了哪些测量问题? /strong /span /p p 　　此次发售的VS1800， 搭配了符合ISO 25178标准的分析工具 “ISO 25178参数对比工具”。在ISO 25178标准中规定了评估表面性状的32个项目的参数，但在对比样品时，选择最适合评估的参数很难，成为分析业务的难题。“ISO 25178参数对比工具”，通过按差异程度大小顺序自动对测量的参数值进行依次排序，可轻松选出最适合对比样品的参数，从而支持客户的分析业务。 /p p 　　此外，VS1800通过光干涉方法*4，除了可实现大视野测量、0.01nm的垂直方向分辨率*5、高重现性外，亦通过日立高新技术科学自主研发的技术，继承了多层膜的无损伤测量等传统产品的高测量性能。此外，该产品还可搭配“大倾斜角测量选配 ”*6功能，通过捕捉大倾斜角斜面的微弱的干涉条纹变化，实现传统的光干涉方式无法实现的大倾斜角斜面测量，从而应对多种多样的样品表面性状的三维测量。 /p p 　　至此，在表面分析系统解决方案方面，日立高新技术集团拥有了可实现极微细样品高分辨率测量的原子力显微镜、获得更大视野的扫描电子显微镜、高精度测量可能的VS1800等产品阵容，满足相关用户更广泛需求。 /p p 　　 span style=" background-color: rgb(112, 48, 160) color: rgb(255, 255, 255) " strong 产品主要特点 /strong /span /p p 　　 strong (1)高测量性能 /strong /p p 　　■ 垂直方向分辨率：利用光干涉方法，通过独自的算法，实现0.01 nm*的垂直方向分辨率 /p p 　　■ 重现性：利用干涉条纹测量凸凹的高度，通过将来自Z驱动机构的影响最小化，实现0.1 %以下的重现性 /p p 　　■ 测量速度：由于不需要样品的前处理，只要将样品放置在样品台上即可完成测量准备。通过光干涉方法最快5秒钟即可完成测量 /p p 　　■ 测量视野：以从干涉条纹获取的信息为基础进行凸凹高度的测量，由此可实现广范围(One-shot最大6.4 mm× 6.4 mm)测量与高垂直方向分辨率的两者兼顾。此外，通过连接多个数据的图像，可进一步实现广范围的分析 /p p 　　■ 无损伤测量：通过日立高新技术科学自主研发的技术，对玻璃和薄膜等透明多层结构样品进行测量时，无需对样品进行加工切割成截面，即可在无损伤的情况下，完成多层结构样品的各层厚度或异物混入状况的确认以及缺陷分析等 /p p 　　 strong (2) 易于使用的操作界面 /strong /p p 　　采用直观易懂的操作界面，能够轻而易举地进行图像分析处理前后的图像对比，从而支持分析时的最合适图像处理选择。此外，可简单地列出处理与分析的内容、创建独自的分析参数、重复使用分析参数等，并且还可批量处理数据，由此实现统一管理多个样品和分析结果，减轻繁琐复杂的后处理。 /p p 　　 strong (3) ISO 25178参数对比工具 /strong /p p 　　在对比多个样品时，通过将ISO 25178标准中规定的32项参数值按差异的大小顺序重新排列，从而在样品对比时能够轻松选取最适参数，支持客户的分析业务。 /p p 　　 strong (4) 硬件升级 /strong /p p 　　按每一台XY样品台的驱动方式，设计了3个类型的产品，即基础模式的手动型Type 1、电动型Type 2、Type 3。从Type 1到Type 2、Type 3，均可根据不同的用途进行升级。 /p p 　　 strong span style=" color: rgb(255, 255, 255) background-color: rgb(112, 48, 160) " 【附注】 /span /strong /p p 　　*1 ISO 25178：规定表面形态评估方法的国际标准。 /p p 　　*2扫描型白色干涉显微镜：利用 span style=" background-color: rgb(112, 48, 160) " /span 光干涉原理进行非接触式、无损伤的表面形态测量的测量设备。 /p p 　　*3激光显微镜：将激光作为光源进行表面形态测量的测量设备。 /p p 　　*4光干涉方法：是利用两列或两列以上的光波相互叠加而出现光明暗(干涉条纹)现象(干涉)的检查方法。 /p p 　　*5 0.01 nm的垂直方向分辨率为Phase模式时的性能。 /p p 　　*6“大倾斜角测量选配”为选择项目。 /p