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1、2005年第39卷1171用于表面微观形貌测量的光学方法冯斌王建华西安工业学院摘要:介绍了在表面微观形貌测量中常用的光学测量方法,分析了它们各自的原理和优缺点,并对光学法表面微观形貌测量技术的发展作了简要评述。关键词:表面微观形貌,光学方法,测量OpticalMeansusedinMeasuringSurfaceMicrotopographyFengBinWangJianhuaAbstract:Theopticalmeansusedinmeasuringsurfacetopographyareintroduced.Theprinciple,pr
2、operty,goodqualityandshortcomingoftheseopticalmethodsareanalyzedandthedevelopmentdirectionofopticalmeansusedinsurfacetopographymea-surementiscommented.Keywords:surfacemicrotopography,opticalmeans,measuring1引言2光学探针法表面形貌(SurfaceTopography)也称为表面微观探针测量技术是应用针描法进行测量或瞄准的几何形态,是指零件加
3、工过程中,由于刀具和零件的一种技术,光学探针就是把聚焦光束当做探针,然后摩擦、切削分离时的塑性变形和金属撕裂,以及加工利用不同的光学原理来检测被测表面形貌相对于聚[2]系统中的高频振动等原因在零件的已知加工表面上焦光学系统的微小间距变化。光学探针又分为几[1]残留的各种不同形状和尺寸的微观凸峰和凹谷。何光学探针和物理光学探针:利用成像原理来检测表面形貌不仅对接触零件的机械和物理特性起表面形貌的光学探针称之为几何光学探针;利用干[3]着决定作用,而且对一些非接触零件的光学和外部涉原理的光学探针称之为物理光学探针。特性影响也很大。精确可靠地测量表面形貌不但能2
4、1物理光学探针法正确地识别出加工过程的变化和缺陷,而且对控制物理光学探针包括外差干涉和微分干涉等方和改进加工方法、研究表面几何特性与使用性能的法。关系、提高加工表面质量和产品性能有着显著意(1)外差干涉光学探针[2]光外差干涉技术是一种较成熟、较完善的高精义。目前对表面微观形貌的测量已经从传统的机械度测试技术,由GaryESommargren于1981年首次提[4,5]触针式测量发展到利用各种原理实现的非接触式测出。该方法的测量原理是:将两支具有微小频量。传统的机械触针式测量具有稳定、可靠、测量动率差的相干光束中的一束作为测量光束,经显微物态范围大等优点,
5、但存在易划伤被测表面、磨损测镜聚焦在被测表面上;另一束则作为参考光束保持头、需要测头补偿、不能测量软质表面以及难以实现光程不变。物体表面高度的变化引起参考光束与测三维测量等局限性,不能满足表面形貌评定的发展量光束的光程差发生变化,通过相位比较,获得被测[6]需要。而非接触式形貌测量方法可实现对表面的无物体表面微观高度。损检测,并有助于高精度快速测量,更真实有效地反光外差干涉中的光源除常用的双频激光光源映表面的微观几何形貌。目前的非接触式形貌测量(纵向赛曼、横向赛曼He-Ne激光器,双纵模He-Ne方法所依据的原理主要是光、声、电或是其中两种的激光器)外,还有
6、利用声光调制原理的移频双频光[7]结合,其中光学方法在非接触式形貌测量中的应用源。最为广泛。本文将对各种表面形貌测量光学方法作光学外差干涉法均涉及两个光点,一个为测量进一步的分析(重点是光探针法)。光斑,另一个为参考光斑。根据测量光斑和参考光斑的分布又可分为同轴和不同轴两种类型。同轴型外差干涉收稿日期:2005年3月同轴型外差干涉轮廓仪在测量表面上形成的是72工具技术两个中心重合但大小不同的光斑,大光斑常作为参考光斑,小光斑常作为测量光斑。由于测量光路和参考光路同轴,对外界振动和扫描装置导轨的直线度误差不敏感,可用于在线检测。就目前的同轴式轮廓仪而言,小光
7、斑的直径最小在1m以下,大光斑的直径在2~4mm左右。图1是实现大小光斑同(a)(b)轴的不同方案:图1a是美国洛克希德导弹与空间公司研制的大小焦点同轴式干涉轮廓测量装置中实现两光斑同轴的方法。经过扩束(25mm)和缩束(1mm)的激光束同轴入射到物镜上,较粗的光束充满物镜孔径,会聚到试件表面形成测量光斑(2m);而较细的光束实际上等效于被一相对孔径较小的物镜会聚在试件上,形成直径较大(50um)(c)(d)[8]的参考光斑。该测量装置的分辨率以本机噪声rms衡量为0.01nm,这种方法所形成的参考光斑不够大,不能测量表面轮廓变化较大的表面。图1
8、b是利用双焦透镜实现两光斑同轴的方法。双焦透镜采用双
