表面粗糙度光学测量方法研究进展_王政平

传感器与微系统(T ransducer and M i c rosyste m T echno l og i es)2007年第26卷第9期

表面粗糙度光学测量方法研究进展

王政平,张锡芳,张艳娥

(哈尔滨工程大学理学院,黑龙江哈尔滨150001)

摘要:表面粗糙度对工件的性能有很大的影响,由于机械、电子及光学工业的飞速发展,对精密机械加

工表面的质量及结构小型化的要求日益提高,使得表面粗糙度测量显现出越来越重要的地位。采用光学

方法测量表面粗糙度具有非接触、无损伤、测量精度高等优点。介绍了用光散射法、像散法、散斑法、光干

涉法、光学触针法测量表面粗糙度的原理及研究进展,讨论了上述方法各自的优缺点,对表面粗糙度测量

的发展方向进行了预测。

关键词:表面粗糙度测量;光学测量;非接触测量

中图分类号:TG84文献标识码:A文章编号:1000-9787(2007)09-0004-03 Progress on opticalm easure ment of surface roughness

WANG Zheng-ping,Z HANG X-i fang,Z HANG Y an-e

(Sc i ence Schoo,l H arb i n En gi neer i ng Un i versity,H arb i n150001,Ch ina)

Abstract:T he function of the wo rkp iece i s h i ghly influenced by its surface roughness.W it h the rapi d deve l op m ent

o f t he m echanica,l electron ic and optica l i ndustries,the qua lity o f surface and m i ni m ized-structure o f prec isi on

m echanis m are h i ghly dem anded,wh i ch m akes surface roughness m easure m en t take on mo re and m ore i m po rtant positi on.O ptica l me t hods of m easuri ng surface roughness have m any advantages such as non-con tact,non-da m ag e

and h i gh prec i s i on etc.T he pr i nciples and advances of scatte ri ng m ethod,speckle m e t hod,i nterfero m e tric m ethod, optical sty l us m et hod w i dely used for roughness m eas u re m ent are rev i ewed,the me rits and shortcom ings o f them

are d i scussed,the ir deve l oping trends are forecasted.

K ey word s:surface roughness m easurement;optical m easure m ent;non-contact m easure m ent

0引言

表面粗糙度对机器零件表面性能的影响从1918年开始就受到关注。1927年,报道了用触针测量表面粗糙度的方法[1]。

近年来,随着机械、电子及光学工业的飞速发展,对精密机械加工表面的质量及结构小型化的要求日益提高,使得表面粗糙度的测量具有越来越重要的地位。对激光核聚变驱动器、磁盘、光盘、X射线光学元件、大功率激光窗口及同步辐射器元件的表面粗糙度要求,均已达到了纳米级要求。这些需求极大地促进了表面粗糙度测量技术的发展。传统的表面粗糙度测量方法可分为接触式测量(又可分为二维和三维触针式)与非接触式测量方法(分为光学法和其他方法)两大类。其中,光学法又可分为直接测量法和间接测量法。直接测量法又分为电镜法(用扫描探针显微镜[2]、原子力显微镜[3]、扫描电子显微镜[4]、扫描隧道显微镜[5]、干涉显微镜[6]等设备实现)和干涉法(偏振干涉、外差干涉和多光束干涉等方法);间接测量方法

收稿日期:2007-01-11有散射法、散斑法、光学触针法、衍射法[1]、光纤传感法[7]等。本文介绍光散射法、像散法、散斑法、干涉法、光触针法的研究进展。

1光散射法

用光散射法测量表面粗糙度常用的理论模型可分为衍射模型和微小镜面模型。其中,衍射模型由Beck m ann P等人[8]提出,适用于中等或比较光滑表面粗糙度测量,通过对散射场的统计来表征表面性质,是目前应用最广泛的理论(常采用标量积分理论处理)。微小镜面模型则适用于描述光在较粗糙表面的散射。

基于衍射模型的方法主要包括镜反射率法、散射光角分布法、核环比法、全积分散射法(total i ntegrated scattering, T IS)、Four i er谱分析法[9]、X射线漫散射法[10]、超声散射法[11]、微波散射功率测定法[12]、红外散射法[13]等。

其中,镜反射率法是通过测量镜面反射方向的光能,从而确定物体表面粗糙度。该方法可由光导纤维来实现。

B rod m ann R等人[14]报道的散射光角分布法用参数S

N

4

第9期 王政平,等:表面粗糙度光学测量方法研究进展 表征被测物体表面上散射反射光的分散度(分布的方差或光散射特征值)。周肇飞等人研制的基于该法的同轴激光轮廓仪解决了该法存在的大参考光斑与高分辨力的矛盾

[15]

。

利用被测表面反射光在接收面形成光斑(由中央光线密集的光核与周边比较稀疏的光带构成)的现象,徐建强等人报告了一种核环比法。该系统对表面轮廓算术平均偏差R a <0.04L m 的表面有很高的分辨力。

核环比法是对镜反射率法的改进。因其采用光强比值来表征被测表面的粗糙度,可排除光源功率涨落对测量结果的影响,并可用CCD 摄像机摄取散射光分布图像后经计算机处理、计算出表面粗糙度参数。

Beck m ann P 等人研究了有效均方根粗糙度R 介于1~10n m 之间的超光滑表面R 值的测量问题,发现在满足R n K (波长)和小角度入射的条件下,R 与总积分散射(T IS)的关系为[16]T IS=

4P RK

2

。杨开勇等人利用基片的表面模型和积分球本身的结构特征,对测量表面有效均方根粗糙度进行了修正,测量结果与用进口表面测量仪测得的结果比对相差0.1nm 。

陈奕升等人在测量积分球上增加了一个参考积分球,将T IS 法的应用扩展到测量任意反射率以及完全透明的样品,并对透明物体第二表面的散射引入的测量误差进行了修正。

吉田报告的采用激光漫反射检测技术的系统将待测表面形状展开为傅立叶级数,并依傅立叶系数与粗糙度参数R r m s 的关系最终测出R r ms [9]。2 像散法

像散法测量物体表面粗糙度是用一束光经过一柱面透镜,透射光束经过一物镜聚焦为光点,聚焦光点照射在被测表面上。物体表面上被照射着的光点通过物镜成像于一特定位置。当光点与物镜距离(光轴方向)前后变化时,则成像位置也会移动。若从处于中间并垂直于光轴的面上来观察其光束,就可发现光束的直径也随之变化,也就是可以检测光束直径的变化量来判定成像位置。在物镜后面插入一块只能在垂直于光轴的平面上、竖直方向聚焦的柱面透镜,则竖直方向的成像将往前移动,以后光束便发散。由于在垂直于光轴方向的平面上2个垂直方向上(水平方向和竖直方向)成像位置的不同,光束呈椭圆状。光点远离物镜时,则为长轴在竖直方向的椭圆;相反,靠近物镜时,则为长轴在水平方向的椭圆。用光电探测器(四等分光电二极管)作为传感器,光束经光电转换后,再经放大和计算,可获得与被测表面微小变位量相对应的精确输出信号。3 散斑法

散斑是指一束光经物面反射后,由于物面轮廓的高低

不平、由于反射光在观测屏处发生干涉引起的斑点样分布现象。O htsubo J 等人根据衍射散斑强度变化的平均对比度与表面随机起伏的概率分布有关的特性,提出了通过测量散斑对比度平均值检测粗糙度的方法[17]。郑月明等人提出用双棱镜分光形成的散斑实时测量表面粗糙度。周莉莉等人导出了散斑强度变化的相关函数和表面粗糙度参数之间的关系。4 光干涉法

早期,用于测量表面粗糙度的干涉法是用相干光照射样品表面,然后,与参考光比较以获得粗糙度信息。用该法获得的干涉条纹可表征样品形貌的等高图。W yant 等人采用共光路的M irau 干涉仪改进了上述干涉法,利用二极管阵列或CCD 摄像机摄取,并贮存干涉条纹图像,经计算机软件处理后,可给出平面上任何位置的实际高度[1]。

罗忠生、武勇军和张新宝等人分别报告了利用外差法测量表面粗糙度的研究结果。通过对干涉信号的处理可得到表面粗糙度参数。

鉴于在具有微小结构变化的被测表面的与参考表面上反射的光波之间产生的相位差变化可提供表面高度分布的直接信息,Jo 报告了基于米洛干涉仪原理的相移干涉测量法,用该法获得了2.7nm 的测量精度。在相移干涉测量方法经常采用的相位积分技术中,需使参考表面以匀速向被测表面移动,可使机械振动对系统的影响最小化[18]。

当一束光通过双折射透镜和显微物镜后将被分离成O 光和E 光。将被测表面置于O 光的焦面上作为测量光点(直径为1L m )时E 光在被测表面上将形成一个直径较大的光斑(直径为10L m ),可作为参考光。两光束反射后经过物镜和双折射透镜重新结合,再用一偏振系统测量两偏振成分间的相位差,即可获得样品表面粗糙度信息[19]。这种方法是利用偏振干涉原理测量表面粗糙度的方法之一。5 光学触针法

将激光束聚焦为直径为1~2L m 的光点(光触针)后用其照射被测表面,再根据反射光形成的光点的形状和位置来确定表面粗糙度的方法称为光触针测量法。光触针法的纵向放大倍数达100万倍,分辨力在1n m 以下。

目前,广泛采用的有临界角法、非点像差法和刀口法。除此之外,还有傅科法、SCOOP 法等。

临界角法、非点像差法和刀口法3种方法中以临界角法的灵敏度最高,但它的测量范围窄;非点像差法对光路中其他元件的像散值要求高,使用不便;刀口法较前2种方法准确度低,但它不需特殊光学元件,结构简单、检测范围宽,并可消除反射光强度不稳定的影响。严慎等人报道了一种基于临界角法的双狭缝式光触针表面轮廓传感器。

5

传感器与微系统第26卷

6结束语

光学方法测量表面粗糙度具有非接触、快速、测量精度高、易于实现在线测量、响应速度快等优点。迄今为止,国内外已经对此类方法做了大量的报道。尽管已有一些实用化的用于检测表面粗糙度的仪器面市,整体讲仍有大量研究工作有待进行。其中,比较突出的一个问题是:几乎报道的所有方法都是基于逐点测量的,这在实际应用中显然会降低工作效率,并就整个待测表面而言具有某种不可靠性。另外,在减小表面粗糙度检测仪器体积、增加对不同形貌(除平面外的其他表面,如,柱面、球面,特别是异型表面)的检测能力等方面也有大量的工作可做。

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作者简介:

王政平(1949-),男,河北乐亭人,教授,博士研究生导师,主要从事光学传感理论与技术方面研究。

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D eparte m ent ofC o m puter S ci ence,Un i ves it y of C ol orado,2002.作者简介:

石光(1977-),男,辽宁锦州人,上海大学计算机工程与科学学院工程硕士,主要研究方向为网络安全。

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