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1、中国机械工程第11卷第5期2000年5月文章编号:1004-132Ⅹ(2000)05-0488-05三维表面微观形貌的表征趋势李成贵董申摘要:近几年计算能力、计算速度、图像分析、数据处理技术的不断提高,极大地推进了三维表面微观形貌测量仪的实用化和商品化。对最近文献中出现的三维分析方法和表征参数,如基准表面、图形(像)表征、参数表征以及图形和分形表征方法等进行了综述。提出了三维表征技术的任务和发展方向。关键词:表面粗糙度;表面形貌;表征;分形李成贵副教授中图分类号:TG84;TH16文献标识码:A表面的二维轮廓分析,应用于科学研究和
2、工3D表征参数的雏形作一总结。程实际已近半个多世纪。但近几年的许多迹象表1基准表面明对三维表面分析的需求不断增加。这不仅仅是因为三维表面形貌比二维能提供更多的信息,而传统的基于轮廓数据的分析,从统计的观点且主要是由于计算能力、计算速度、图像分析及看可靠性很差,而3D表面形貌的统计分析更具数字处理技术的大大提高。稳健性,可以给出较低的参数偏差。实验表明,在三维(3D)表面形貌的分析可追溯到70年同一表面测量的来自不同轮廓的参数,差异可能[21]代,然而在这之后,3D研究进展缓慢。直到80年达50%。只有当表面满足各向同性和均一性代初
3、单板机的出现,才使得3D分析重新掀起高时,在任何位置和方向的轮廓才能表示表面。另[1][2][3]潮,如国外Devries、Tsukada、Teague、一种情形,也可以用轮廓近似表示表面,即当表[4]面在一个方向上具有普遍的和确定性纹理时,测DeChiffre等人,国内有国家计量院、华中理工大学、西安交通大学和哈尔滨工业大学等单量轮廓在垂直于纹理方向上进行。当然,在机械位[5～8]都在从事这方面的学术研究,其3D测量仪加工中上述现象是相当多的,这也是2D表征的大都是在2D轮廓仪测量原理的基础上,加一纵理论基础。然而,从目前计算机
4、、测量和超精密向移动导轨、再配上计算机构成。加工技术的发展看,对于大多数工程表面,要想最令人鼓舞的是80年代G.Binnig和准确、合理地反映表面形貌,应在三维范围内评[9][10]定。H.Rohrer发明的STM和AFM,以及在此基础上发展的各种SPM技术,使3D微观形貌测评定实际表面的粗糙度参数需要有个基准量和分析进入了一个崭新的阶段。另外近几年非面,它具有几何表面的形状,其方位和实际表面在空间的走向一致,可用数学方法确定。当表面接触式光学干涉仪、光斑法、光散射和X射线干涉等技术的发展[11～13],使得三维微观形貌测量仪是名
5、义上的平面时,基准面是平面;当表面是曲面时,必须采用具有相同曲率的基准面,以便去更加商品化和实用化,因此研究3D表面的分析除宏观几何形状的影响。和表征技术越来越迫切。目前3D表征尚未有各下面介绍几种在3D表征中产生基准面的实国国家标准和国际标准,EC国家分别于1991年用方法。和1993年召开了关于3D表征的专题讨论会,在1.1最小二乘平面和多项式1997年召开的“工程表面的性能及其计量”国际[14]最小二乘平面被定义为这样一个平面:实际会议上也有大量的论文报道这方面的测量和表面离开该平面的偏差的平方和为最小值,并且分析的最新成果
6、。[15～20]有明确的数学算法。当被测表面是曲面时,需要本文在研究近几年文献的基础上,对用最小二乘法来准确地定义其几何形状,此时可收稿日期:1998—10—06修回日期:1999—04—04采用拟合球面或圆柱的公式,但是,一般需要知基金项目:中国博士后科学基金资助项目道其中心和半径。·488·三维表面微观形貌的表征趋势——李成贵董申最具一般性的方法是拟合具有适当阶数n的2.2投影图多项式表面。原则上,所选择的阶数应除去几何数据点的有效表示是基于等轴的或正视的投形状,而不致影响粗糙度。实验表明,一般取n=影。每点用直线或曲线与它的
7、邻近点内接,去掉2～4即可满足要求。一些隐藏线以简化视觉。在等轴投影中x轴和y1.2滤波轴的距离采用相同比例。表示的方式可用投影角数字滤波可以分离被测表面内的不同频率成度来修改,投影角度确定了相对于平面xy的观看分,因而可用一个低通滤波器来产生基准表面。为方向。观察幅度时,应用小的投影角;当对结构感了不改变表面的形状,滤波器必须是线性的或零兴趣时,适合用大的投影角。平面xy可以沿它的相位的,同时要求光滑的截止转换以避免振荡效法向旋转,以便变换视图的观察面。应。为了增强投影视觉的可解释性,引进了一些有2个主要的零相位数字滤波器常用于
8、定义图像处理的操作技术,如截短、翻转和斜率视图。基准表面:区域滤波器和高斯滤波器,均是可分离3参数表征的和对称的。STC′S′的合作研究者,还对高斯滤波器的二引进参数是为了获得复杂现实的综合信息,[22]维情况进行了研究。一个参数代表一个特征,它可
