表面粗糙度的光学测量方法_李成贵

28国外计测2000年第20卷第2期

表面粗糙度的光学测量方法

李成贵　董申

(哈尔滨工业大学精密工程研究所,黑龙江省哈尔滨市,150001)

OpticalMethodforMeasuringSurfaceRoughness

LiChenggui,DongShen

摘　要　表面粗糙度的光学测量方法,具有非接触、精度高和响应快等优点,致使其研究十分引人注目,发展极快。本文简单介绍了几种典型的光学测量原理和方法及一些已商品化的仪器。　　关键词　表面粗糙度　测量　光学方法

Abstract　Theopticalmethodofmeasuringsurfaceroughnesshasadvantagesofuncontact,highaccuracyandfastresponse,sotheresearchofthatmethodfixespeople'seyesanditsdevelopmentgetsveryfast.Inthispaper,severalprinciplesandmethodsoftypicalopticalmeasurementandsomecommercializedinstrumentsarepresentedbriefly.

Keywords　Surfaceroughness,Measurement,Opticalmethod　　在表面粗糙度的测量中,光学方法具有非接触、不损伤表面、精度高和响应快等优点,其测量原理种类繁多、相互交错。下面介绍几种利用不同光学变量或现象进行工件表面测量的方法。

1　散射光强对比法

图1是采用光强对比来评价表面结构的一种方法[1]。一光束照射到表面,检测反射光对散射光的比率。用两个检测器A和B接收散射光,检测器A位于镜面反射位置,即相对于法线方向与入射光具有相同的角度;另一个检测器B接收漫散射光。通过观察表面的光散射、反射中两个检测器的光强度来估计表面。例如:对于一个非常光滑的表面(图1(a)),大部分光以镜面反射,且都将进入检测器A,只有极少的光进入B中,此时(A-B)/(A+B)将接近于1;这种表面的粗糙度大约在λ/8以下(λ为光波长)。如果表面粗糙度变大,假如达到λ/2,那么有更多的散射光进入检测器B,在这种情况下两个检测器的比值将是0.5(图1(b))。对于非常粗糙的表面,表面粗糙度比光的波长还大,那么射入检测器A和B的机会均等,

(A-B)/

图1　散射光强对比法

(A+B)的值趋于零(图1(c))。因此可根据照射在两检测器的光强变化,判断粗糙度程度,这种方法只适于同一加工工艺的比较,而不能用作工艺之间的比较。

激光散射已应用多年,特别适合于观察表面缺陷。原理上激光束直接照射在表面,用摄像机接收散射光

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航空计测技术

信号(如图2)[1],光束的典型尺寸是2mm。

激光散射

国外计测29

在传统的干涉法测量中[1],用相干光照射表面,然后与参考光相比较,如玻璃平晶或干涉仪的参考镜。参考平镜放在TwymanGreen干涉仪或多光束干涉仪内部的被检表面上方,这种方法能观察到干涉条纹的等高图,即表面的形貌。图中每一条等高线表示表面上具有相等高度的轮廓,通过适当的光学方式可使条纹变得尖细,以利于表面粗糙度的定量测量。

4　共光路干涉法

新的干涉法是利用米洛(Mireau)干涉仪原理[1]。参考镜放在试件表面附近,参考光和测量光采用相同的路径。干涉条纹通过阵列二极管或电视摄像头观察,并贮存条纹。所观察的参考光通过压电驱动器可以在轴

图2　散射法

的缺点是光斑太大,不能分辨表面细节,主要用于检测象板钢、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,通常有一定的角度,而且还随扫描位置变化。

图3所设计的光学系统[1],

使激光束总是以法向入

向轻微地移动,如移动物镜和参考镜λ/3距离,摄像机再摄一帧干涉条纹的像,并贮存在计算机内(图4)。然后再重复一次,甚至第四次,最终目的是在垂直方向的移动量正好为一个光波长。贮存在计算机内的条纹图像可以给出平面上任何位置的实际高度,这种方法常用于半导体工业检测硅薄片。

图4　共光路干涉法

基于上述原理,Wyko公司生产了商品化的轮廓

图3　垂直入射散射法

射表面,而且具有与触针仪器相当的光斑尺寸,接近10μm。其缺点是光斑尺寸小,致使光场的景深也小,限制了仪器的使用范围;而且由于表面存在曲率或形状误

差,可能在视野内看不到图像。但是对于一般的表面结构和缺陷扫描还是可能的。在这种新的装置中,所检测的信号通常成像在包含几百个光敏二极管的阵列中,然后用计算机分析该信号。根据检测器中的散射光,可以区分不同工艺之间的差异,也可以区分工艺内部的差异,但该法仍然是一种比较法。

图5　Wyko干涉仪

仪[2],其光路如图5所示。分光镜和参考表面的位置非

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正交、频率不同的偏振光,经过渥拉斯特棱镜分成两路,经物镜后在试件表面形成两个相隔0.157mm、直径为1.8μm的光斑。由这两点反射回来的光束再经过物镜、渥拉斯特棱镜后相遇形成干涉。干涉条纹的亮暗反映这两个相隔0.157mm点高度差。被测件安装在转台上,通过转轴的光束作参考光束。仪器的垂直分辨力为0.01nm。

图8是Optel公司生产的干涉轮廓仪[2],它的工作原理和Zygo公司的相同。其主要区别是干涉头可作横向移动,垂直分辨力为0.1nm。

常靠近检测镜下面的试件,干涉发生在从试件的反射光和来自参考表面的反射光之间。这种结构使仪器的光路很短,参考光路与测量光路工作条件接近,可以排除干扰因素。测量光束与参考光束形成的干涉条纹由光电二极管阵列接收。参考物镜的质量直接影响测量精度,仪器的垂直分辨力为0.1nm。

5　外差干涉法

外差干涉法是近年发展的一种高精度光学测量方法[1]。该法根据两种不同的光学特征,在同一时间检查表面。一般是基于偏振干涉原理,产生两种不同频率的光,或在不同的位置偏振聚焦,要么横向的,要么轴向的。从试件表面的不同部位反射回来,发生干涉。这种方法不需要参考面,由于采用了共光路,所以测量光程差时,对表面垂直方向的振动不敏感。图6是一典型的激光外差法原理图

。

图8　Optel轮廓仪

图6　激光外差法

Zygo公司生产的外差式干涉轮廓仪工作原理如图7所示[2]。来自激光器的激光束中,

包含两种偏振方向

图9　NPL/CUPE轮廓仪

图9是英国NPL和CUPE生产的干涉轮廓仪的检测原理图[2]。O光和E光通过双折射透镜时,得到不

7　o同的折射。O光在试件表面形成一个直径约为1m的

航空计测技术

光斑,而对于E光由于试件表面不在物镜的焦平面上,形成一个直径约为10μm的光斑,这两束光反射后相干。这里将散焦光作为参考光束,以它在直径为10μm区域内的平均光程作为参考光程。干涉图像反映O光所瞄准的测量点的测量光程与这一参考光程的光程差。仪器具有0.01nm的垂直分辨力,横向分辨力受参考光斑的直径限制,测量范围可达50mm,所以适合于高精度小尺寸轮廓测量。

图6～图9属于差动式干涉仪。它不需要参考镜,直接将试件表面轮廓的两点高度进行比较,采用这种方法会产生累积误差。

国外计测31

衍射法与激光干涉法相近[1]。来自激光器的一束准直光投影到物体表面(图11),并发生散射,然后用光

图11　衍射法

敏二极管接收。二极管阵列用计算机编址,以利于访问。这项技术的关键是正确安排仪器中的光源,以使从表面任何角度反射的光能以唯一的一个点成像于检测器之上。这可以通过将检测器放在物镜的后焦面上来实现。

这个结构在计量学中是非常有用的。检测器上的强度图可以被认为是表面几何形貌的功率谱密度,其结果依赖于表面的光滑程度,光滑意味着与光的波长相比要小,即为λ/8。这种方法的优点是,表面上很小的细节都可以散射,可以非常宽的角度在检测器上产生信号,远离检测器的中心,以使表面上很小的距离,对应在检测器上有较大的观测量。这在计量学中是反常的,一般小的细节比大的细节更难于测量,在此正好相反。根据检测器上的强度图可以评价表面粗糙度的Rq、均方根斜率和均方根曲率。

6　光学触针法

这种仪器用光点来代替触针,大部分都设计有横向驱动装置,传感器以恒定的距离在表面上方“滑动”,非接触测量。其中一种方法是基于Foucault刀口的测试[1],在该法中激光成像于表面之上,从表面又成像在平面位置上的一半遮挡障碍物之上(图10)。

这个遮挡

8　散斑法

图12是利用散斑法测量工件表面粗糙度的原理

图10　光学探针法

物一般是刀口,也可以是其它的类似物体。当光点在表面的焦点处,光点将成像于刀口,并在刀口后面放置的检测器上产生一些阴影图案。如果表面有深谷,那么光斑点就在深谷之内,并成像于刀口之前。由此,在检测器上产生了不同的影像图案。根据位于焦面或焦面之外的影像图案的差异来操纵一个控制系统,借助于压电装置向下移动物镜产生新的焦点;如果表面有峰,则情况相反。通过监控物镜和光学系统的移动,就可得到表面轮廓的测量。

这种方法需要移动光学元件,测量相对慢,同时限制了测量速度的频率响应。对于光学探针,一般频率响应不低于100Hz。

图[3]。由激光器L2发出的光束经反射镜M反射后,由扩束系统L0扩展成一束平行光,经光栏P1后,由聚光镜汇聚到试件P2上。一个粗糙表面受局部相干的光束照射,其反射光束呈现由亮暗斑点组成的散斑图案。测量时,试件P2沿箭头方向移动,反射光斑经小孔P3后,

图12　散斑测量法

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入射光束和出射光束的模糊点之间。散射角固定在一较小值1°,也可以用不同的散射角重复进行。根据一次单个的漫散射扫描,就可以获取粗糙度参数值,采样面积约为5mm×8mm。

在表面粗糙度的光学测量技术中,除利用激光衍射、散射、散斑和偏振等产生干涉的测量仪器外,光栅干涉测量技术也得到了迅速发展。而且光学技术有其独特的优点,如可以提供表面形貌的区域信息,非接触测量、测量效率高、响应快,可实现在线测量等。

测量现已进入纳米时代,在半导体掩膜、磁盘、宇宙空间用光学镜片、环形激光陀螺中,均已提出表面粗糙度的均方根值小于1nm的非常光滑表面要求。实现表面粗糙度的快速、高精度、在线和自动测量,仍然是今后发展的方向。

参考文献

1　parisonbetweenstylusandopticalmethodsformeasuringsurfaces.1988,37(2):

649～653

AnnalsoftheCIRP,

由光电管P0接收,然后送信号分析系统处理,散斑的平均反差与试件表面粗糙度是线性关系。

9　散射光角分布法

该法是利用散射光的光强及其分布来测量表面粗糙度参数[4]。一束激光投射到试件表面上后,其镜面方向的反射光和散射光分布一个半球面内,半球面内各点的光强不同。当表面非常光滑时,光强主要分布在镜面方向。表面越粗糙,镜面方向的反射光强越弱,其它点的散射光就越强。当用光探测器接收这些光强和分布后,经过统计学和光谱分析或者经过光的反散射计算,就可以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射线漫散射法

X射线漫散射仪是最新研制的仪器,已用在实验室,可对高精度表面面积进行实时扫描测量。其理论模型基本完善,测量是非接触的,不依赖详细的光学常数。能够给出0.05mm～5nm之间的粗糙度参数、亚纳米到数十微米之间的相关长度和2～2.95之间的分形维数信息。

图13示出了用X射线漫散射仪测量的原理图。

[5]

2　VorburgerTV.Measurementsofroughnessofverysmoothsurfaces.AnnalsoftheCIRP,1987,36(2):503～509

3　张国雄.表面粗糙度测量的新方法.机床,1990,2:27～30

4　曹麟祥,王红.表面粗糙度的现代测量技术.测控技术,1992,2:

17～20

5　BowenDK,WormingtonM.Measurementofsurface

图13　X射线漫散射测量

为了测量镜面的反射性,以扫描入射角两倍的速度扫描散射角。采用测量漫散射的方法,被扫描的试件位于

roughnessandtopographyatnanometerlevelsbydiffuseX-rayscattering.AnnalsoftheCIRP,1994,43(1):　　1999-03-31收稿　　　　李成贵　36岁　男　博士后

497～500

(上接第21页)

6　信号采集

专用接口卡具有16通道、16位A/D、16位数字输出和16位数字输入等功能。系统中角度信号、温度信号、水平位置信号和基础振动信号均通过专用接口卡采集。

由感应同步器输出的角度信号用24位十六进制表示。由专用接口卡数字输出D0发出锁存信号,把角度信号锁存。用分段的方法将16位数字输入分两次读。

温度、水平位置、基础振动、加速度计电流信号均为范围小于5V的模拟电压信号。它们均由A/D接口采集。

7　结束语

加速度计自动测试系统集温度控制、角度控制、基础振动和倾斜于一体,既有数据采集,也有数据处理,使用简单,操作方便,控制精度很高,是一种自动化程度较高的加速度计测试系统。

17收稿

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