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(哈尔滨工业大学精密工程学院, 黑龙江省哈尔滨市, 150001) 光学法测量表面粗糙度 成贵, 沉东 摘要光学法测量表面粗糙度具有非接触、精度高、响应速度快等优点,使得它的研究非常有吸引力并且非常发达。 快的。 本文简要介绍几种典型的光学测量原理和方法以及一些已商品化的仪器。 关键词 表面粗糙度测量 光学法 摘要 光学法测量表面粗糙度具有非接触、精度高、响应速度快等优点，因此发展迅速。 文中，简要介绍了几种典型的光学测量原理粗糙度的测量，一些商品化的仪器。 在表面粗糙度的测量中，光学法具有非接触、不损伤表面、精度高、响应速度快等优点。 测量原理众多且交织在一起。 下面描述了使用不同光学变量或现象测量工件表面的几种方法。

1 散射光强度比较法。 将一束光照射到表面上，然后测量反射光与散射光的比率。 散射光由位于镜面反射位置的两个探测器A接收，即与入射光的法线方向成相同角度； 另一个探测器B接收漫散射光。 通过观察表面的光散射、两个检测器的反射光强度来估计表面。 例如，大部分光被镜面反射，全部进入检测器 A 将接近 1； 该表面的粗糙度大约在 K8 以下（K 是光的波长）。 如果表面粗糙度变大，比如 K2，则更多的散射光进入检测器）。 对于非常粗糙的表面，表面粗糙度小于光的波长）。 因此，可以根据照射在两个检测器上的光强变化来判断粗糙度的高低。 这种方法只适用于相同加工工艺的比较，不能用于工艺之间的比较。 2 激光散射法 图1 散射光强度对比法 激光散射已经使用多年，特别适用于观察表面缺陷。 原理上是将激光束直接照射在表面上，用摄像头接收散射光信号（如图2所示）。 光束的典型尺寸为 2mm。 图2中激光散射法的缺点是光斑太大，无法分辨表面细节，主要用于检测钢板、铝带等物体表面的缺陷和痕迹。 另一个问题是传统的扫描方法不能将激光束垂直投射到表面上，通常以一定的角度投射，并且还随扫描位置而变化。 使激光束始终以法线方向进入法线入射面，并具有与触针仪器相当的光斑尺寸，接近10Λm。

缺点是光斑尺寸小，导致光场景深小，限制了仪器的使用范围； 由于表面的曲率或形状，图像可能无法在视野中看到。 但是对于一般的表面结构和缺陷扫描还是可以的。 在新装置中，检测到的信号通常在包含数百个光电二极管的阵列中成像，然后由计算机分析信号。 根据探测器中的散射光，可以区分不同过程之间的差异，也可以区分过程内部的差异，但这种方法仍然是一种比较方法。 3. 传统干涉测量传统干涉测量是与参考光进行比较，如玻璃平面晶体或干涉仪的参考镜。 参考平面镜放置在 TwymanGreen 干涉仪或多光束干涉仪内部待检表面上方。 这种方法可以观察干涉条纹的表面形貌。 图中每条等高线代表表面等高的等高线，可以通过适当的光学方法使条纹变细，以利于表面粗糙度的定量测量。 新型干涉仪利用米罗干涉仪的原理，将测试镜放置在靠近试件表面的位置，参考光和测量光走同一条路。 通过阵列二极管或电视摄像机观察干涉条纹，并存储干涉条纹。 可通过压电驱动器使观察到的参考光沿轴向略微移动，如移动物镜与参考镜K3之间的距离，相机会拍摄另一帧干涉条纹图像，并存入计算机再重复一遍，甚至第四次，最终的目标是垂直方向的移动量刚好是光的一个波长。

计算机中存储的条纹图像可以给出平面上任意位置的实际高度。 这种方法常用于半导体行业检测硅片。 基于以上原理，Wyko制作了一个商品化的profile，其光路如图5所示，分光镜和参考面的位置并不是如图5所示。检测镜，被测件的反射光与基准面的反射光发生干涉。 这种结构使仪器的光路很短，参考光路的工作条件与测量光路的工作条件接近，从而可以消除干扰因素。 由测量光束和参考光束形成的干涉条纹被光电二极管阵列接收。 参考物镜的好坏直接影响测量精度，仪器的垂直分辨率为0.nm。 5 外差干涉法 外差干涉法是近年来发展起来的一种高精度光学测量方法。 该方法基于两种不同的光学特性同时检查一个表面。 它一般是基于极化干涉的原理，产生两个不同的频率或聚焦在不同位置的极化，横向或轴向。 从试件表面的不同部位反射，发生干涉。 该方法不需要参考面，由于光路共用，测量光路对表面垂直方向的振动不敏感。 图6是典型的激光外差法示意图。 图6 激光外差法 Zygo公司生产的外差干涉轮廓仪的工作原理如图所示。 激光器发出的激光束包含两种偏振方向正交、频率不同的偏振光。 经过沃拉斯特棱镜和物镜后，在试样表面形成两个间距为 0.157 mm 的直线光斑。 .

从这两点反射的光束在通过物镜和Wollastedt棱镜后相遇并发生干涉。 干涉条纹的明暗反映了相距 0.157 mm 的两点之间的高度差。 被测件安装在转台上，通过转轴的光束作为参考光束。 仪器的垂直分辨率为01nm。 它是Optel公司生产的干涉轮廓仪，其工作原理与Zygo相同。 主要区别是干涉头可以横向移动，垂直分辨率为0.nm。 图8 Optel profiler 图9 NPLCUPE profiler 是英国NPL和CUPE出品的干涉profiler检测示意图 当光和E光通过双折射透镜时，得到不同的折射。 O光在试片表面形成一个直径约12000年的光斑，而E光因试片表面不在物镜焦平面上而形成一个直径约10μm的光斑镜片。 两束光经反射后相干。 这里以散焦光作为参考光束，取直径为10的测量点的测量光程与参考光程的光程差。 该仪器垂直分辨率为0.01nm，横向分辨率受参考光斑直径限制，测量范围可达50mm，适用于高精度小尺寸轮廓测量。 属于微分干涉仪。 它不需要参考镜，直接比较试样表面轮廓上两点的高度。 这种方法会产生累积误差。 6 光学触针法本仪器采用光点代替触针，大多设计有横向驱动装置，传感器在表面上方以恒定距离“滑动”，进行非接触式测量。

其中一种方法是基于傅科的方法，激光在表面成像，图像是从表面在平面位置的半遮挡障碍物上成像的（图10）。 图10中阻挡光探头法的物体一般为刀口，也可能是其他类似物体。 当光点在表面的焦点上时，光点会成像在刀口上，并在刀口后面的探测器上产生一些阴影图案。 如果表面有深谷，则光点在深谷之内，成像在刀口前。 结果，在检测器上产生了不同的图像图案。 根据位于焦平面内或焦平面外的图像图案的差异操纵控制系统，借助压电装置向下移动物镜以创建新的焦点； 如果表面有峰，则相反。 通过监控物镜和光学系统的运动，可以测量表面轮廓。 这种方法需要移动光学元件，测量速度相对较慢，频率响应限制了测量速度。 对于光学探头，一般频率响应不低于100Hz。 7 衍射法 衍射法类似于激光干涉法。 来自激光的准直光束投射到物体表面（图 11）并发生散射，然后由光敏二极管使用光图 11 衍射方法接收。 二极管阵列由计算机编址以便于访问。 该技术的关键是正确布置仪器中的光源，使从表面任何角度反射的光都能在探测器上单点成像。 这可以通过将检测器放置在物镜的后焦平面上来实现。

这种结构在计量学中非常有用。 探测器上的强度图可以被认为是表面几何形状的功率谱密度，其结果取决于表面的光滑度，这意味着它与光的波长相比较小，即 κ8。 这种方法的优点是表面上非常小的细节可以散射，并且可以以非常宽的角度在探测器上产生信号，远离探测器的中心，因此表面上的小距离，对应于更大的观察体积。 这在计量学中恰恰相反，小细节比大细节更难测量，这里正好相反。 表面粗糙度可根据检测仪上的强度图进行评价。 图12是散斑法测量工件表面粗糙度的原理。 优越的。 粗糙表面被局部相干光束照亮，其反射光束呈现出由亮点和暗点组成的散斑图案。 试件P2沿箭头方向运动，反射光点通过小孔P3被光电管P0接收，然后送入信号分析系统进行处理。 平均对比度与试件的表面粗糙度呈线性相关。 9 散射光角分布法该方法利用散射光的光强和分布来测量表面粗糙度参数。 一束激光投射到试件表面后，镜向的反射光和散射光分布在一个半球内，半球内各点的光强不同。 当表面非常光滑时，光强主要分布在镜面反射方向。

表面越粗糙，镜面方向的反射光强度越弱，其他点的散射光越强。 用光检测器接收这些光强和点，即可得到被测表面的粗糙度参数，如空间波长、平均斜率、平均高度和算术平均偏差等。 10 X射线漫散射 射线漫散射仪是一种新研制的仪器，已用于实验，对表面积进行高精度的实时扫描测量。 其理论模型基本完善，测量是非接触式的，不依赖于详细的光学常数。 它可以给出0. 05mm到5nm之间的粗糙度参数，亚纳米到几十微米之间的相关长度粗糙度的测量，以及2到2.95之间的分形维数信息。 图13为X射线漫散射测量示意图。 图 13 X 射线漫散射测量 为了测量镜面的反射率，以两倍于入射角的速度扫描散射角。 通过测量漫散射的方法，扫描样本位于入射光束和出射光束的模糊点之间。 散射角固定为小值1，也可以重复不同的散射角。 根据单次漫散射扫描，可以得到粗糙度参数值，采样面积约为5mm8mm。 在表面粗糙度的光学测量技术中，除了利用激光衍射、散射、散斑和偏振产生干涉的测量仪器外，光栅干涉技术也得到了迅速发展。 此外，光学技术还有其独特的优势，如提供地表形貌的区域信息、非接触式测量、测量效率高、响应速度快、在线测量等。

测量现已进入纳米时代。 在半导体掩模、磁盘、空间光学透镜和环形激光陀螺仪中，已经提出了表面粗糙度均方根值小于 1 nm 的非常光滑的表面。 实现表面粗糙度的快速、高精度、在线、自动化测量仍是未来发展的方向。 测针光学方法测量表面之间的比较。 CIRP 年鉴,1988, 37 649～6532 Vorburger verysmooth surfaces. CIRP年报，1987，36 503～509 表面粗糙度测量新方法。 机床，1990，27～30 现代粗糙度测量技术。 测控技术，1992，17～205 博文表面粗糙度纳米级漫射X2射线散射。 CIRP,1994, 43 497～5001999203231 收李成贵，男，36岁，男，博士后（接自21号6号信号采集接口卡，16通道，16D，16位数字输出，16位数字输入，等 在系统中，角度信号、温度信号、水平位置信号和基本振动信号均通过专用接口卡进行采集。

感应同步器输出的角度信号用24位十六进制表示。 锁存信号由专用接口卡的数字输出D0发出，锁存度数信号。 将16位数字输入采用分段的方法二次读入角度信号，由计算机进行计算。 温度、水平位置、地基振动、加速度计电流信号均为模拟电压信号，范围小于5V。 它们都是由A接口收集的。 7 结束语 加速度计自动测试系统集温度控制、角度控制、地基振动和倾角于一体。 它既有数据采集又有数据处理。 使用方便，操作方便，控制精度高。 是一种自动化程度高的加速。 仪表测试系统。 1999208217 2000年第20名