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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30国外计测2000年第20卷第2期

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 …… 此处隐藏：3127字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……