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什么是液态透镜技术？

传统的光学透镜由光学材料制造，无论使用哪种光学材料（光学玻璃、光学晶体或者光学塑料）制作的透镜都是固体，不能改变大小和曲率。使用这类透镜的光学系统，只能通过在光轴上前后移动某个透镜来改变整个光学系统的对焦点。

与传统透镜有所不同，液态透镜是一种使用一种或多种液体制成的无机械连接的光学元件，可以通过外部控制改变光学元件的光学参数（焦距、曲率半径等），有着传统光学透镜无法比拟的性能。简单来说就是透镜的介质变为液体，更准确地来说就是一种通过改变其表面曲率来动态调整透镜焦距的新型光学元件。这种内部参数变化采用电控方式，能够实现毫秒级的变化与自动化编程。

从仿生学上来说，液态透镜的创意也许来自于人体的眼球，人类的眼睛之所以既能看清远处，又能看清近处就是因为眼球的晶状体在睫状肌的控制下可以改变曲率，从而实现整个眼睛视觉系统工作距离的改变。

液态透镜的两种技术路线

目前商业化量产的液态镜头，主要有两种技术路线来实现。

一种是以V公司为代表的双液电润湿法透镜，另外一种是以O公司为代表的液体填充式透镜。

双液体透镜由两种液体组成，由于两种液体存在折射率差，因此交界面就可以发生折射，如果我们可以用外部控制信号改变分界面的曲率，那么这个液态透镜就实现了光学参数的改变。

这里需要重点介绍一下电润湿原理，电润湿效应最早在1876年由加布里尔·李普曼（Gabriel Lippmann）发现，电润湿效应施加于两种非混合流体，一种导电的溶液和一种不导电的油，且两者具有不同的折射率，以及相同的密度。由于流体不混合，它们形成像透镜一样光滑且弯曲的分界面。我们通过向导电溶液施加电压而改变两种液体表面相互作用的方式，从而改变分界面的曲率半径。

左图：双液电润湿液态透镜           右图：液体填充式液态透镜
而液体填充式透镜结构类似于人眼的晶状体结构。具有高折射率的光学液体被密封在由柔性聚合物制成的弹性薄膜中，利用电磁驱动压紧或松弛分布于侧边的环形膜层区，由于密封液体积不变，压紧时液体从侧边挤压到中心通光孔中，液体的曲率半径变小，焦距变小；反之松弛侧边环形区域膜层时，通光孔中的光学液体扩散开，液体的曲率半径变大，焦距变大。

液态透镜在机器视觉中的应用

在机器视觉应用中，产品质量检测或条形码扫描应用场景下，通常利用高f/#镜头的大景深，但是随着f/#的增加，更大的景深也会带来明显的缺点。因为光圈尺寸被减小了，通过系统的光线更少，降低了分辨率，延长了曝光时间，这对产线的效率提升是不利的。

设计一个含有液态透镜的镜头，可以避免这个缺点。液态透镜的使用，使镜头可以用更紧凑的光学结构完成对焦，且有毫秒级的调整速度，比传统纯机械平移镜片结构调焦的镜头更块，更耐用，且完全不用考虑景深的问题。

在快速移动的装配线，多个前景后景的条形码检测的使用场景下，传统的机械镜头为了适应不同的工作距离或者需要移动和调整，会延迟产线速度降低生产效率，或者需要增加系统成本通过使用多个镜头和相机来弥补。如果装配了液态镜头，可以在镜头位置保持不动，物距发生变化时，利用外接电控瞬时（毫秒级）调整液态透镜的曲率半径完成对焦，如同人眼，远眺和微观可以自由快速切换。

同样，在机器视觉中远心镜头常用在固定物距下检测尺寸，一旦物距变化超过镜头景深，就需要调整远心镜头的工作距离，配备有液态透镜的远心镜头因为具备瞬时调整功能，也就不存在物距超过镜头景深范围这个问题，即可实现单一远心镜头现实多物距的尺寸检测而无需调整镜头位置。

随着工业自动化和机器视觉行业的持续增长，行业对快速、耐用和可靠的视觉系统的需求也相应增加。液态镜头是提高机器视觉速度、效率和集成度的重要组成部分和解决方案之一。

光学玻璃透镜的加工方法光学玻璃是制造各种透镜、反射镜等光学仪器的重要材料。它具有折射率高、色散低、透光率高，耐热性强等特点。在制作过程中，由于工艺要求严格，对原材料的选择十分重要。本文就如何正确选用光学玻璃做透镜进行探讨。

1. 折射率：折射率是反映一种物质的光学性质的一个重要指标。通常用该物质的折光度（n）与标准黑体在空气中的折光率的比值来衡量其相对折射率。

例如，某材料的折光率为1.4，即1立方厘米的材料可产生1.4×10-4米的入射光线；而另一种材料的折光度则1.7，则表示该种材料每平方厘米能产生1.7×10-4米的入射光线.可见两种材料的相对折射率的差别很大。

2. 色散系数：
色散系数是指单位面积内通过一平行光束所需能量的多少倍来表示光的分散能力的大小。对于同一种材料而言，如果它的色散系数越大说明其分散能力越强；反之亦然。

3. 比重：比重是指一定体积的物体或溶液的重量与同体积水的重量之比值。

4. 耐火度：耐火度指在一定温度条件下抵抗高温的能力。

5. 化学稳定性：化学稳定性是指在一定的温度下和压力下不发生化学反应的能力。

6. 硬度：硬度是指金属材料抵抗变形和破坏的能力。

7. 热导率和热膨胀性 ：热导率是指物质传导热的速率大小；热膨胀性指受热时所产生的膨胀程度。

8. 抗拉强度及弹性模量 ：抗拉强度是指在拉伸试验中承受的最大拉力；弹性模量是衡量金属材料塑性大小的一个物理量。

9. 尺寸稳定性和耐腐蚀性能。

10. 机械加工性能。

11. 耐磨性和表面质量。

12. 电绝缘性能和电火花敏感度。

13. 化学稳定性。

14. 介电常数。

15. 相容性与毒性。

16. 安全使用。

17. 生产成本。

18. 市场前景。

19. 应用范围。

20. 其他。

如何分辨滤光片的镀膜面
滤光片是一类有针对性选择光谱波长透过、反射、截止、衰减的光学元件，按照其功能作用可分为带通滤光片、长波通滤光片、短波通滤光片、二向色滤光片、中性密度片（ND Filter）、陷波滤光片、冷反射镜、热反射镜、颜色滤光片等；滤光片目前使用已经广泛，通常用于光谱分析、生物医学、机器视觉、荧光显微、工业自动化等行业及产品领域。

如上图所示，这是一个单层只有一面镀膜的滤光片。我们假设它的俯视面(绿色图)是镀膜面，现在以上图所示的视角来观察图示中的红色线， 如果看不到红色线，那么俯视面为镀膜面。如果看到红色线，可以确定俯视面不是镀膜面。那么我们将底面掉转至俯视面再次重复以上观察方法以确定镀膜面。

镀膜面的区分有助于我们在使用滤光片时能更好放置滤光片。不同的放置方向会在特定环境会产生不同的使用效果。
在一些特定的镜片，比如反射镜，在镀膜面朝外为外反射，镀膜面朝内时为内反射，这个时候镀膜面的区分就显得非常重要。

膜面区分示例图1

膜面区分示例图2

膜面区分示例图3

膜面区分示例图4

所谓球面和非球面，主要是针对镜头（各种相机、显微镜等镜头）、眼镜（包括隐形眼镜）的镜片几何形状而言，即球面镜片与非球面镜片。二者在几何形状上的差别决定了它们在平行的入射光的折射方向上产生差异，从而影响其成像效果的好坏。

   球面透镜，其镜片呈球面的弧度，其横切面亦呈弧状。当不同波长的光线，以平行光轴入射后镜片上不同的位置时，在菲林平面（与镜片中心和镜片焦点联机相垂直的、通过焦点的平面）上不能聚焦成一点，而形成像差的问题，影响影像的质素，例如出现清晰度下降和变形等现象。一般普通镜头是采用球面镜片组成的。

   非球面透镜，其镜片并非呈球面的弧度，而是镜片边缘部份被「削」去少许，其横切面呈平面状。当光线入射到非球面镜面时，光线能够聚焦于一点，亦即菲林平面上，以消除各种象差。例如耀光现象在球面镜使用大光圈会比细光圈下拍摄来得严重，但若然加入非球面镜便可将耀光情况大大降低；又例如影像呈现变形(枕状或桶状)，乃因镜头内的光线没有适当折射而产生，以变焦镜为例，短焦距时通常是桶状变形而变焦至长焦距时则为枕状变形，若采用非球面镜，则可以改善这方面的像差。

同一材料、同一度数的球面与非球面相比，非球面镜片更平、更薄、视物更逼真、自然舒适。传统的球面镜片，镜片周边看物体有扭曲的现象，限制了配戴者的视野，非球面镜片边缘像差减到最底，使它宽阔视野可以满足顾客的需求。非球面镜片的表面弧度是非球面设计的，这种设计比起球面设计镜片更清晰，经过特有的镀膜处理的非球面镜片更拥有完美的视觉表现，呈现更清晰，舒适的视觉效果。非球面镜片的表面弧度是非球面设计比起球面设计镜片设计更轻松，戴上非球面镜片后几乎感觉不到它的存在，它为眼睛减肥。 非球面镜片的表面弧度是非球面设计比起球面设计镜片设计更自然，非球面的设计，自然，视觉变形少，视物更逼真。

嘉腾LED玻璃透镜模组优势
1.散热快,产品更耐用
2.配光优,照明效果更佳
3.光衰少,延长使用寿命
4.外观美,产品设计独特
5.组件好,品质更优
6.品质更优,寿命10年以上
玻璃透镜优势
玻璃透镜连板设计，突破了传统的模组采用的PC连板透镜，带来一种全新的体验，有效地克服了PC透镜的不良问题：
1、抗腐蚀能力：高硼硅3.4玻璃属于硼硅酸盐玻璃中的硼硅玻璃，耐酸耐碱，抗腐蚀性能优越。
2、耐温性强：相比PC透镜，其热膨胀系数较低，拥有良好的热稳定性，光学表面温度的变化小，保留原有的光学照明效果。
3、透光率高：常规PC透镜透光率在85%左右，造成光照的浪费，玻璃透镜透光率为90-93%，镀加增透膜后可高达97%。
4、相比于PC透镜，玻璃透镜不会产生老化/黄化现象，从而影响透镜透光率。
5、相比于PC透镜，玻璃透镜不会吸附灰尘，并且方便清洗。
隧道照明配光
发光角度120°×80°、150°×80°（对称）等多种配光角度，合理的照度均匀度和防眩光等级等
设计有效的改善隧道内路面的墙壁照明状况，改善隧道内视觉享受，减轻驾驶员驾驶疲劳。

道路配光
有TYPE2-M、TYPE3-M等多种配光角度，其配光在路面形成照度均匀的类矩形光斑，
可以适用于双向八车道、六车道、四车道、二车道、一车道道路情况。
高杆灯配光
应用于大型广场、主干道交叉路口、码头、车站和体育场等场所中，悬挂高度较高，照明范围比较
广泛而且均匀，能够带来较好的照明效果，满足大面积场所的照明需求。
工矿灯配光
发光角度25°/45°/60°/90°/120°，主要应用于大楼外墙、桥梁、公园、广告招牌、球场广场、
工厂车间照明。

光学透镜加工由于精度高，加工对象特殊，所以必须在专门的光学车间内进行。因此，除了遵守一般的机械加工规则外，还必须遵守光学加工所特有的安全操作要求。

光学透镜车间的特点在光学零件加工过程中，大多数工序对温度、湿度、尘埃、振动、光照等环境因素是敏感的，特别是高精度零件和特殊零件的加工尤其如此。

因此，光学车间都是封闭形的，并要求恒温、恒湿、限制空气流动、人工采光，防尘。

01

温度对光学工艺的影响。恒温是光学车间一个明显特点之一。这里包括恒温温度及波动范围两个问题。光学车间各工作场所由于要求不同，对恒温温度及其波动范围的要求是各不相同的。

（1）温度对抛光效率与质量的影响由于抛光过程中存在的化学作用随温度升高而加剧，因而升温会提高抛光效率。但由于古典工艺中采用的抛光模制模用胶、粘结胶等主要由松香和沥青按一定配比制成，一定的配比只在一定的温度下使用。而且它们对温度的变化较为敏感，温度过低，抛光模具与零件吻合性不好；温度过高，抛光模具抛光工作面变形。这两者将使加工零件的精度难以保证，具体表现在光圈难以控制和修改。实践得出：抛光间的温度一般应控制在22℃±2℃为宜。

（2）检验对室温的要求温度的波动直接影响检验精度。一方面因为精密光学仪器对温度的波动很敏感；另一方面被检零件不恒温时，检具和零件间有温差会直接影响读数精度。所以，检验室必须恒温，并且也应控制在22℃±2℃范围内。

02

湿度对光学工艺的影响。在光学零件加工过程中，凡要求恒温或空调的地方，均因控制湿度所需。因为，水份蒸发速度直接影响湿度恒定状态。湿度过低，易起灰尘，零件表面清擦时也易产生静电而吸附灰尘，影响其光洁度。特殊零件如晶体零件的加工以及光胶工艺等，对湿度的要求尤为严格。光学加工过程中室内温度一般应控制在60%左右。

03

防尘。由于光学零件对表面质量即表面光洁度和表面疵病有极高的要求，所以光学车间的防尘问题也特别突出。灰尘在抛光时会使零件表面产生道子、划痕、亮丝；在镀膜时，会使膜层出现针孔、斑点、灰雾；在刻划时会引起刻线位置误差、断线等。灰尘来源主要有：外间空气带入；由工作人员衣物上落下（粒径一般在l一5μm左右，直径小于1μm的灰尘，往往不能依靠自重降落，而长时间悬浮于空气中，影响产品质量）；不洁净的材料、辅料、工夹具等带入；生产过程中产生的灰尘（光学车间的净化条件，若按室内含尘的重量浓度要求，应控制在毫克／米3的数量级。胶合室的要求更严,一般以颗粒浓度作为要求，达到粒数／升的数量级）。

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玻璃透镜优势
玻璃透镜连板设计，突破了传统的模组采用的PC连板透镜，带来一种全新的体验，有效地克服了PC透镜的不良问题：
1、抗腐蚀能力：高硼硅3.4玻璃属于硼硅酸盐玻璃中的硼硅玻璃，耐酸耐碱，抗腐蚀性能优越。
2、耐温性强：相比PC透镜，其热膨胀系数较低，拥有良好的热稳定性，光学表面温度的变化小，保留原有的光学照明效果。
3、透光率高：常规PC透镜透光率在85%左右，造成光照的浪费，玻璃透镜透光率为90-93%，镀加增透膜后可高达97%。
4、相比于PC透镜，玻璃透镜不会产生老化/黄化现象，从而影响透镜透光率。
5、相比于PC透镜，玻璃透镜不会吸附灰尘，并且方便清洗。
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道路配光
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可以适用于双向八车道、六车道、四车道、二车道、一车道道路情况。
高杆灯配光
应用于大型广场、主干道交叉路口、码头、车站和体育场等场所中，悬挂高度较高，照明范围比较
广泛而且均匀，能够带来较好的照明效果，满足大面积场所的照明需求。
工矿灯配光
发光角度25°/45°/60°/90°/120°，主要应用于大楼外墙、桥梁、公园、广告招牌、球场广场、
工厂车间照明。

古典拋光法是一种传统的玻璃冷加工方法，抛光机是采用摩擦轮传动，主轴转速较低，用平面摆动三角架施压，压力靠负荷重量调节.在工作时，负荷的压力始终是铅直向下的，加工平面时上下盘之间的垂直压力是稳定的.而在加工球面时摆动位置不同压力在球心方向的分量也不同，这样就造成上下盘的抛光压力随时变化，增加了球面表面形状不稳定性.拋光膜用松香柏油或毛毡等材料制作，由于抛光膜比较柔软，加工后的表面粗糙度小、表面缺陷小，可以加工较高精度等级的零件.在古典拋光过程中，抛光膜的表面的形状容易变化，需要随时进行修整，这就要求作业人员有较高操作技能，必须经过长期的培训才能掌握，而且生产效率低.在少量和小批量加工中，它有很大的优点，对于抛光机的精度要求低，抛光模的代用率较高，设备、工装夹具的投入费用小.

　　目前中等精度以下大批量生产的光学零件普遍都采用高速拋光的方法进行加工，高速拋光是以高主轴转速、大压力来提高拋光的效率.高速拋光机所使用的设备以准球心的方法设计的（另外还有一些是假准球心式拋光机，又有用平摆式拋光机用气压增加压力的方法充当高速拋光机），所谓准球心，是在拋光过程中负荷的压力始终指向被加工球面的球心位置.这种设计最大的优点就是，压力从始至终都是在拋光膜和工件接触面的正面施加的，正向压力的大小是不变的，这种方法加工的球面面形比较稳定.准球心抛光法对设备精度要求较高，抛光模必须是专用的，很少有代用的情况，设备、工装夹具的投入较大，只适合批量生产.由于抛光膜材料比较硬、耐磨性好，拋光膜修整的频率小，对作业员的技术要求较低，通过简单培训的新工人就可以上岗.

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3、透光率高：常规PC透镜透光率在85%左右，造成光照的浪费，玻璃透镜透光率为90-93%，镀加增透膜后可高达97%。
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透镜是由透明物质（如玻璃、水晶等）制成的一种光学元件，会影响光的波前曲率。它是一种能将光线聚合或分散的器件，所成的像有实像也有虚像 。广泛应用于安防、车戴、数码相机、激光、光学仪器等各个领域。

包括熔石英，氟化钙，氟化镁，硅，锗，硒化锌等材料在内的各种普通无色光学玻璃；以及各种波段的平凸透镜，平凹透镜，双凹透镜，超半球透镜，小球透镜，弯月透镜，柱面镜，棒镜，胶合镜等 。

透镜及凸透镜的成像规律：

1.透镜用透镜符号来表示(一条线段两头有两个V形标志)，画出主光轴，标出光心、焦点来根据透镜的三条特殊光线中的两条折射光线(一般作过光心的光线和平行于主光轴的光线较好)的相交点，即可得到透镜所成的像的特点(如虚实、大小、正倒等)。

2.透镜成像时，物体上每一点发出的照到透镜上的所有光线都成像在同一个位置，挡住一部分，并不影响射向透镜的其它光线的成像，所以仍然可以看到完整的像，但是由于射到像上的光线减少，所以屏上像的亮度会变暗。

3.凸透镜成像规律：

(1)凸透镜成实像需要满足的一个条件是；(2)共轭成像指的是物距和像距的大小可以互换，两种情况下分别成放大、缩小的倒立实像

透镜用透镜符号来表示(一条线段两头有两个V形标志)，画出主光轴，标出光心、焦点来根据透镜的三条特殊光线中的两条折射光线(一般作过光心的光线和平行于主光轴的光线较好)的相交点，即可得到透镜所成的像的特点(如虚实、大小、正倒等)。

4.透镜成像时，物体上每一点发出的照到透镜上的所有光线都成像在同一个位置，挡住一部分，并不影响射向透镜的其它光线的成像，所以仍然可以看到完整的像，但是由于射到像上的光线减少，所以屏上像的亮度会变暗。

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3、透光率高：常规PC透镜透光率在85%左右，造成光照的浪费，玻璃透镜透光率为90-93%，镀加增透膜后可高达97%。
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用抛光机和抛光粉或抛光液一起下进行抛光要设定抛光时间，压力等参数.抛光后要立即进行清洗可浸泡，否则抛光粉会固化在玻璃上，会留有痕迹的.
1．抛光粉的材料
抛光粉通常由氧化铈、氧化铝、氧化硅、氧化铁、氧化锆、氧化铬等组份组成，不同的 材料的硬度不同，在水中的化学性质也不同，因此使用场合各不相同。氧化铝和氧化铬 的莫氏硬度为9，氧化铈和氧化锆为7，氧化铁更低。氧化铈与硅酸盐玻璃的化学活性较高，硬度也相当，因此广泛用于玻璃的抛光。
为了增加氧化铈的抛光速度，通常在氧化铈抛光粉加入氟以增加磨削率。铈含量较低的 混合稀土抛光粉通常掺有3-8的氟；纯氧化铈抛光粉通常不掺氟。
对ZF或F系列的玻璃来说，因为本身硬度较小，而且材料本身的氟含量较高，因此因选 用不含氟的抛光粉为好。
2．氧化铈的颗粒度
粒度越大的氧化铈，磨削力越大，越适合于较硬的材料，ZF玻璃应该用偏细的抛光粉。要注意的是，所有的氧化铈的颗粒度都有一个分布问题，平均粒径或中位径D50的大小 只决定了抛光速度的快慢，而最大粒径Dmax决定了抛光精度
光学冷加工生产操作的高低。因此，要得到高精度要求，必须控制抛光粉的最大颗粒。
3．抛光粉的硬度
抛光粉的真实硬度与材料有关，如氧化铈的硬度就是莫氏硬度7左右，各种氧化铈都差 不多。但不同的氧化铈体给人感觉硬度不同，是因为氧化铈抛光粉通常为团聚体。当然，有的抛光粉中加入氧化铝等较硬的材料，表现出来的磨削率和耐磨性都会提高。
4．抛光浆料的浓度
抛光过程中浆料的浓度决定了抛光速度，浓度越大抛光速度越高。使用小颗粒抛光粉时，浆料浓度因适当调低。
镜片抛光
光学镜片经过研磨液细磨后，其表面尚有厚约2-3m的裂痕层，要消除此裂痕层的方法即为抛光。抛光与研磨的机制一样，唯其所使用的工具材质与抛光液（slurry）不同，抛光所使用的材料有绒布（cloth）、抛光皮（polyurethane）及沥青（pitch），通常要达到高精度的抛光面，最常使用的材料为高级抛光沥青。利用沥青来抛光，是藉由沥青细致的表面，带动抛光液研磨镜片表面生热，使玻璃熔化流动，熔去粗糙的顶点并填平裂痕的谷底，逐渐把裂痕层除去。
目前抛光玻璃镜片所使用的抛光粉以氧化铈（Ce02）为主，抛光液调配的比例依镜片抛光时期不同而有所不同，一般抛光初期与和抛光模合模时使用浓度较高的抛光液，镜片表面光亮后，则改用浓度较稀的抛光液，以避免镜面产生橘皮现象（镜片表面雾化）。
镜片抛光
光学镜片经过研磨液细磨后，其表面尚有厚约 2-3m的裂痕层，要消除此裂痕层的方法即为抛光。抛光与研磨的机制一样，唯其所使用的工具材质与抛光液（slurry）不同，抛光所使用的材料有绒布（cloth）、抛光皮（polyurethane）及沥青（pitch），通常要达到高精度的抛光面，最常使用的材料为高级抛光沥青。利用沥青来抛光，是藉由沥青细致的表面，带动抛光液研磨镜片表面生热，使玻璃熔化流动，熔去粗糙的顶点并填平裂痕的谷底，逐渐把裂痕层除去。
目前抛光玻璃镜片所使用的抛光粉以氧化铈（Ce02）为主，抛光液调配的比例依镜片抛光时期不同而有所不同，一般抛光初期与和抛光模合模时使用浓度较高的抛光液，镜片表面光亮后，则改用浓度较稀的抛光液，以避免镜面产生橘皮现象（镜片表面雾化）。
抛光与研磨所用的运动机构相同，除了抛光的工具与工作液体不一样外，抛光时所需环境条件亦较研磨时严苛。一般抛光时要注意的事项如下：
抛光沥青的表面与抛光液中不可有杂质，不然会造成镜面刮伤。
抛光沥青表面要与镜片表面吻合，否则抛光时会产生跳动，因而咬持抛光粉而刮
光学冷加工生产操作
5.伤镜片表面。
抛光前必须确定镜片表面是否有研磨后所留下的刮伤或刺孔。
抛光工具的大小与材质是否适当。
沥青的软硬度与厚度是否适当。
抛光的过程中必须随时注意镜片表面的状况及精度检查。透镜表面瑕疵的检查，因为检测的过程是凭个人视觉及方法来判断，所以检验者应对刮伤及砂孔的规范有深刻的认知，要经常比对刮伤与砂孔的标准样版，以确保检验的正确性。

在电路制造中，化学机械抛光(Chemical Mechani-cal Polishing,CMP)技术被广泛应用于硅片表面的局部和全局平坦化。根据CMP过程的材料去除机理，硅片表面所产生的化学反应膜将由磨粒和抛光垫的机械摩擦作用去除,对此，Preston方程已经很好地描述这一问题。磨粒在硅片表面的运动轨迹分布的非均匀性，以及磨粒点对硅片径向的相对摩擦长度在硅片表面的分布,将反映出硅片表面材料去除的非均匀性和抛光后硅片表面的平面度轮廓。磨粒在硅片表面上的轨迹分布及相对摩擦长度越均匀,则表面材料去除非均匀性越小，平面度误差越小。生产实践证明，硅片表面材料去除越均匀，则所需要的抛光时间越短，硅片的面型精度和表面质量越好。CMP过程中硅片表面材料去除的非均匀性是影响硅片表面全局平坦化的主要因素。 随着集成电路(IC)制造技术的发展,IC特征尺寸不断减小,对硅片表面面型精度的要求也越来越高。然而，目前对硅片表面材料去除的非均匀性机理的认识还不成熟,如何减小CMP过程中硅片表面材料去除的非均匀性,一直是人们所关心的问题。本文对平面镜面抛光机进行了有关运动摩擦方面的分析。

1运动模型的建立

  摆式结构是市场上平面镜面抛光机的一种主要结构，AM Technology 公司、SpeedFam 公司和 LapMaster 公司都有此类结构的产品。本文对小型摆式精密研磨抛光机的运动进行分析。该抛光机可实现各种研磨与抛光参量的连续无级调整,并实现研磨与抛光过程的连续修整。通过更换抛光或研磨盘可以实现单晶硅片的研磨与抛光两种功能o图1和表1分别是摆式抛光与研磨的运动原理及相应的运动参数。

2单晶硅片研磨(抛光)过程的运动仿真模拟

  在单晶硅片的研磨(抛光)过程中，磨料以一个具体的点来对工件和研磨(抛光)盘表面实现两体接触形式或三体接触形式的切削，而磨料的集合体却以随机的方式完成整个加丁过程,服从均匀分布的统计规律。以点的方式模拟整个加工过程更切合研磨(抛光)实际。蒙特卡罗法充分利用随机试验这个统计过程，与计算机的伪随机数试验过程结合，为整个研究提供可行性。仿真模拟分析利用MATLAB软件进行。

2.1磨粒轨迹形态的分析

  在单晶硅片的研抛过程中，虽然很难看出其表面的纹向，但是磨粒切削方向对材料的去除，以及对表面微观形态仍有很大的影响,特别是在进入塑性研磨与抛光时切痕的变化更有重要的意义。随机地选取100个磨料点,根据统计规律,对所取点数进行模拟的结果可以说明实际问题。由模拟结果可以看出，在大多数情况下磨粒轨迹为较均匀的交叉网纹形态，且摆臂的中心角a、研磨（抛光）盘的转速n₀对切痕曲线的曲率影响大，摆臂摆幅对切痕曲线曲率的影响小。研磨（抛光）盘上每点相对于硅片的运动轨迹曲线的曲率半径应该避免曲率过小，以使单晶硅片的表面获得较高的研磨（抛光）质量,并且当摆臂中心角过小，或者当研磨（抛光）盘转速过小时,切痕的曲率很小,所以在研磨（抛光）过程中，不应该选择过小的摆臂中心角a及较低的研磨（抛光）盘转速n₀ₒ

2.2单晶硅片表面的材料去除分布

  Preston⑶方程是描述晶片在进行化学机械抛光时表面材料平均去除率大小的最基本和最典型的模型之一,对于晶片表面随机点M的材料去除率MRR,Preston方程描述为：

  MRR=kpV………… （5）

式中:P和『分别为抛光点M在t时刻所受到的法向压强和相对速度池为Preston方程的系数。

  根据Preston方程，当法向压强p恒定时,材料去除率正比于相对速度V,当抛光时间一定时,硅片表面的摩擦长度正比于相对速度,所以硅片沿半径方向的摩擦长度分布状况,直接反映了硅片表面材料去除的分布情况,并极大地影响着硅片的宏观平面度误差和微观几何及物理形态的一致性。中心处的相对摩擦长度分布大于外边界处,心部的材料去除率较大。由图5看出，当摆臂中心角较大时硅片的外边界的相对摩擦长度大于硅片的心部，外边界的材料去除率大于心部。摆臂中心角大约在25。~30。区域,相对摩擦长度分布较均匀,将获得更平坦的表面。在图6所显示的条件下，摆幅越大硅片外边界的相对摩擦长度下降的区域也越大，材料去除率较小，此时工件表面将出现中心凹下的形态，而较小的摆幅时材料去除率比较均匀。

  转速对于去除率的影响如图7所示，在模拟条件下，转速越高,硅片外径边界区域的相对摩擦长度下降的区域也越大，被抛光工件将呈现心部凹下的平面度误差。对于较小的转速条件下，出现了表面摩擦长度波动状态，相应的抛光材料去除分布也将出现波动，平面度误差轮廓会波动，当抛光盘转速在25 ~30r/min下，波动较小。上述模拟结果,与抛光实践和相关的实验结果基本是一致的

3结论

   本文通过对平面镜面抛光机的摆臂中心角a、摆臂摆幅盅、研磨（抛光）盘转速％的调节,可以改变平面镜面抛光机的运动状态,改变工件表面的材料去除量分布的均匀性，从而影响工件的表面质量，且可以得出如下结论。

   1）  切削轨迹呈交叉网纹形态。摆臂中心角a、研磨（抛光）盘的转速％越小，切痕曲线的曲率越小。摆幅对曲率影响较小。在实际的工件加工过程中，应避免过小的切痕曲率，以提高工件表面质量,摆臂中心角a过小及研磨（抛光）盘的转速％的降低,会明显降低切痕的曲率。

   2）  摆臂中心角a、摆臂摆幅盅、研磨（抛光）盘的转速％存在着使相对摩擦长度分布最均匀的区域,从而也使被抛光工件表面获得最小的平面度误差成为可能。

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