表面粗糙度测量方法综述

第26卷　第5期

2004年10月　　光　学　仪　器OPTICALINSTRUMENTSVol.26,No.5

October,2004

文章编号:100525630(2004)0420054205

表面粗糙度测量方法综述

刘　斌,冯其波,匡萃方

(北京交通大学理学院,北京100044)Ξ

　　摘要:表面粗糙度是机械加工中描述表面微观形貌非常重要的一个参数,表面粗糙度

测量技术是现代精密测试计量技术的一个重要组成部分。综述了接触式和非接触式两类测

量方法,着重介绍了非接触式测量中的几种测量方法的测量原理及其优缺点。

关键词:表面粗糙度;接触式测量;非接触式测量

中图分类号:TG84;TH74

　　　文献标识码:A

Surveyofmtmroughness

IUBin,FENGQi2bo,KUANGCui2fang

(DepartmentofPhysics,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

　　Abstract:Surfaceroughnessisanimportantparametertoreflectthemicro2geometryinmachineprocess,andalsoanimportantpartofmodernprecisemeasurementtechnique.Contactmeasurementandnoncontactmeasurementwassummarizedinthispaper,andtheadvantagesanddisadvantagesaredisucssed.Someideasaboutit’strendaregivenintheend.

Keywords:surfaceroughness;contact2mesurement;noncontact2measurement

1　引　言

表面粗糙度是机械加工中描述表面微观形貌最常用的参数,它反映的是机械零件表面的微观几何形状误差,随着机械加工行业的发展表面粗糙度测量技术也得到长足进步,特别是70年代中后期,随着微电子计算机应用的逐步普及和现代光学技术、激光应用技术的发展,使粗糙度测量技术在机械加工、光学加工、电子加工等精密加工行业中的地位显得愈发重要。

表面粗糙度的测量方法基本上可分为接触式测量和非接触式测量两类:在接触式测量中主要有比较法[1]、印模法[2]、触针法[2,3]等;非接触测量方式中常用的有光切法[2]、实时全息法[3～7]、散斑法[2,3,8,9]、像散测定法[10]、光外差法[11～13]、AFM

作介绍与讨论。

2　接触式测量[14,15]、光学传感器法[16]等。下面就接触式和非接触式两类测量方法分别

接触式测量就是测量装置的探测部分直接接触被测表面,能够直观地反映被测表面的信息,但是这类方法不适于那些易磨损刚性强度高的表面。

Ξ收稿日期:2003212208

作者简介:刘　斌(19792),男,河北沧州人,硕士研究生,从事光电检测方面的研究。

第5期刘　斌等:　表面粗糙度测量方法综述　・55・211　比较法

比较法是车间常用的方法。将被测表面对照粗糙度样板,用手摸靠感觉来判断被加工表面的粗糙度;也可用肉眼或借助于放大镜、比较显微镜比较。比较法一般只用于粗糙度评定参数值较大的情况下,而且容易产生较大的误差。

212　印模法

利用某些塑性材料作块状印模,贴合在被测表面上,取下后在印模上存有被测表面的轮廓形状,然后对印模的表面进行测量,得出原来零件的表面精糙度。对于某些大型零件的内表面不便使用仪器测量,可用印模法来间接测量,但这种方法的测量精度不高且过程繁琐。

213　触针法

触针法又称针描法,它是将一个很尖的触针(半径可以做到微米量级的金刚石针尖)垂直安置在被测表面上作横向移动。触针将随着被测表面轮廓形状作垂直起伏运动。信号并加以放大和运算处理,即可得到工作表面粗糙度参数值,、感应式等[15]几种。这种仪器稳定性好,示数客观可靠,使用方便等优点,。

这种方法也有无法克服的缺点:首先,,从理论上分析,,。但是针尖尺寸过小,,而且还将影响测量效率和测量速度;其次,,又不能因此划伤工件表面和磨损测头。因此,在高,触针式仪器的实用受到限制,提出了高精度、非接触测量的要求。3　非接触式测量

非接触式测量就是利用对被测表面形貌没有影响的手段间接反映被测表面的信息来进行测量的方法,这类方法最大的优点就是测量装置探测部分不与被测表面的直接接触,保护了测量装置,同时避免了与测量装置直接接触引入的测量误差。

311　光切法

光切法是利用光切原理来测量表面粗糙度的方法,它将一束平行光带以一定角度投射与被测表面上,光带与表面轮廓相交的曲线影像即反映了被测表面的微观几何形状,解决了工件表面微小峰谷深度的测量问题,避免了与被测表面的接触。由于它采用了光切原理,所以可测表面的轮廓峰谷的最大和最小高度,要受物镜的景深和鉴别率的限制。峰谷高度超出一定的范围,就不能在目镜视场中成清晰的真实图像而导致无法测量或者测量误差很大。但由于该方法成本低、易于操作,所以还在被广泛应用,如上海光学仪器厂生产的9J(BQ)光切法显微镜。

312　实时全息法

实时全息干涉计量术简称实时法,具有实时、全场、灵敏、非接触、非破坏、精度高等特点,其原理如图1所示。激光束经分束镜后分成两路,反射的为参考光束,经M1反射后再经透镜L1扩束,经针孔后以

另一路光束镜光束镜组LO后准直,以UO物光束照明工件O,最后射向全Ur的参考光束射向全息底片H。

息底片H,在H位置形成被测物表面反射的全息图。全息图经显影后正确复位,在观察屏S上可以实时观察干涉条纹,干涉条纹的对比度C可用下式表示:

C=Θ-exp-Θ+exp-22222(1)

式中,K=exp(i

用电视摄像机或光电扫描测出干涉条纹的强度分布,求出输出光强的极大值与极小值,则可以用

(Imax+Imin)求出对比度C,然后用式(1)计算出表面粗糙度的均方根值Ρ。式(1)是在假设C=(Imax-Imin)

光源具有良好的空间与时间相干性的条件时得出的对比度与表面粗糙度的关系式。实际应用中,在表面粗糙度的均方根值在0105Λm～018Λm范围时,式(1)有较高的准确度。由于实时法是一种单波长的测量,其缺点是粗糙度的均方根值Ρ必须小于所采用的波长,这样就限制了这种方法的适用范围。为了克服这个缺点,文献[6]提出了双波长全息干涉术(two2wavelengthholographicinterferometry,称简TWHI),它是实时法的一种扩展形式。由于双波长全息干涉术利用激光器发出两个或两个以上不同的波长对物体拍摄全息干涉图,相当于用一个等效波长Κ=Κ Κ。1

Κ2 2-Κ1 对物体进行干涉测量,故扩大了测量范围

图1313　散斑法

测量原理如图2La,由分光镜S分成两路,一路照射被测表面O,SM返回,作为参考光与被测表面返回的散射光重新在S汇合发生干涉,采用,并存储到计算机中。参考镜M与一个压电陶瓷(PZT)相连,PZT由计算机控制,M产生一个微小位移∆(x,y)将发生变化。由于相位差是与轮廓深度(即光程差)对应的,因此可根据∆(x,y)确定各点的粗糙度。

激光散班图一般反映了被激光照射表面的微观结构情况,但要从中直接得出表面参数的信息是非常困难的,特别在用单色光照明粗糙表面时,由于非常粗糙表面所形成的散斑并不完全由粗糙度决定,因此用散斑测量表面粗糙度时,只在一定的范围内合适。在某些情况下,由于表面过于光滑而无法用电子散斑干涉仪进行测量,而有时也有可能由于表面过于粗糙而无法测量,故此时可用银灰色的喷漆作为辅助手段,其形状差条纹的灵敏度可高达10Λm

。

图2

　散斑干涉测量光图3　像散法的测量原理

314　像散测定法

图3为其测量原理。物体表面上被照射着的光B通过物镜成像于位置Qx。当光点与物镜距离(光轴方向)变到A或者C时,则成像位置也会分别移至Px或Sx。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断成像的位置。在物镜后面插入一块只能在Y轴方向聚束的柱面透镜。Y轴方面的成像将往前移至Py、Qy、Sy,以后光束便发散。由于X轴,Y轴方向上成像位置的不同,光束成椭圆状,如图4所示,故光点远离物镜时,则为长轴在Y轴上的椭圆;相反,靠近物镜时,则为长轴在X轴上的椭圆,用象限光电探测器(四等分光电二极管)作传感

器,光束经光电转换后再放大和计算,可获得与被测表面微小变位量相对应的输出信号,这种方法分辨力可达到纳米级别,但测量范围较小。

315　光外差干涉法

常见的干涉显微镜分两种形式,我国这两种形式的产品型号分别为6J和6JA型(如上海光学仪器厂生产的6JA(JBS)),光外差干涉法就是在此基础上提出的一种新方法。

图5是光外差法的原理图。由He2Ne激光器1发出的激光被分光镜2分成两路:一路透射经声光调制器3,一级衍射光频率增加f2=40MHz,经反射镜4扩束系统8,由透镜会聚到物镜14的后焦点上,经14后成为平行光照射到被测面15上,作为参考光束;另一路由分光镜2反射经声光调制器5,一级衍射光频增加f1=41MHz,经反射镜6扩束系统7分光镜12,由物镜14会聚在样品表面,作为测量光束,测量光斑的大小由物镜14的参数决定

。

图4

图5　外差干涉式测量原理

　　透过分光镜12的测量光束与被分光镜12反射的参考光束产生拍波;由探测器13接收,产生参考信号,而从被测面返回的两束光由分光镜10反射进入探测器12,产生测量信号。将探测器11、13接收到的测量与参考信号送入相位计进行比相,于是可测得表面轮廓高度值。从理论推导中可以看到,干涉仪二臂不共路部分的相位差通过比相,其影响被消除,这对提高仪器的抗干扰能力,提高信噪比十分有利。该测量装置的缺点是用了两个价格昂贵的声光调制器,不利于产品化。

316　AFM法

AFM的工作原理如图6所示。当将一个对微弱力极其敏感的微悬臂一端固定,另一端带有一微小探针(约10nm)接近被测试样至纳米级距离范围时,根据量子力学理论,在这个微小间隙内由于针尖尖端原子与样品表面原子间产生极微弱的原子排斥力。由驱动控制系统控制X、Y、Z三维压电陶瓷微位移工作台带动其上的被测样品逼近探针并使探针相对扫描被测样品。通过在扫描时控制该原子力的恒定,带有针尖的微悬臂在扫描被测样品时由于受针尖与样品表面原子间的作用力的作用而在垂直于样品表面的方向起伏运动。利用微悬臂弯曲检测系统可测得微悬臂对应于各扫描点位置的弯曲变化,从而可以获得样品表面形貌的三维信息,其高度方向和水平方向的分辨力可分别达到011nm和1nm

。

图6　AFM工作原理图

317　光学传感器法

光学传感器法是在光学三角测距法的原理上提出来的,其工作原理如图7所示。装置主要有两部分构成,有两个位置敏感探测器(PSD)和激光器组成的对称三角测距器及两个光电二极管组成的光传感器。由

　・58・光　学　仪　器第26卷PSD探测到携带被测物体表面信息的光信号,输出两路信号(Td和Sc1);光电二极管探测到的光信号后输出一路模拟电压信号(Sc2),然后利用PSD和光电二极管探测到的信号与被测物表面粗糙度的关系就可以确定被测物体表面的粗糙度。该方法采用技术较成熟的光学三角法,比较容易实现,但是测量精度不高

。图74

　表面粗糙度测量的发展趋势

:一方面现有的常规检测方法不能满足测量精度的要求,;另一方面,复杂立。电子技术、计算机技术及精密加。20世纪80年代出现的原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM)、扫描近场光学显微镜(SNOM)、光子扫描隧道显微镜(PSTM)等[2]用于表面粗糙度的测量是一个很有希望的方向。此外,在科学和生产的许多领域,以往的加工后抽样测量已经不能满足要求,这就需要有能够实现在线测量的测量方法。因此,超高精表面的高精度测量、三维表面粗糙度测量及在线实时测量是粗糙度测量发展的主要方向。

5　参考文献

[1]　计量测试技术手册编辑委员会1计量测试技术手册(第二卷几何量)[M]1北京:中国计量出版社,19971

[2]　李　岩,花国梁1精密测量技术[M]1北京:中国计量出版社,20011

[3]　PramodK1OpticalMeasurementTechniquesandApplications[M]1London:ArtechHouse,19971

[4]　维斯特CM1全息干涉计量学[M]1北京:机械工业出版社,19841

[5]　熊秉衡,王正荣1实时全息干涉计量术的发展近况和趋势[J]1激光杂志,1999,20(3):3～71

[6]　张晓青,施涌潮1双波长全息干涉术的实验研究[J]1宇航计测技术,2001,22(2):1～51

[7]　HildebrandBP,HainesKA1Multiple2wavelengthandmultiple2sourceholographyappliedtoconeration[J]1OptSocAmer11967,57

(79):155～1621

[8]　ChurchEL,JenkinsonHA,ZaradaJM1Relationshipbetweensurfacescatteringandmicrotopographicfeatures[J]1Optical

～1361Engineering,1979,18(2):125

[9]　LeendertzJA1Interferometricdisplacementmeasurementonscatteringsurfacesutilizingspeckleeffect[J].PhysEScientificInstr,

1970,3:214～218

[10]　徐静芬,徐金武译1表面粗糙度的像散检定法[J]1机械Φ工具,1987,31(11):27～321

[11]　TrumpoldG1Interferencemethodofmeasuringtheroughnessofasurface[J]1IzmerTekh.1971,8:34～36

[12]　VryU,FercherAF1Higher2orderstatisticalpropertiesofspecklefieldsandtheirapplicationtorough2surfaceinterferometry[J]1

～7951OptSocAmer,1988,83:787

[13]　～4981MatsumotoH1SyntheticinterferometricdistancemeasuringsystemusingaCO2laser[J]1ApplOptics,1986,25:493

[14]　陈英飞,章海军1原子力显微镜在纳米粗糙度测量中的应用[J]1光学仪器,2003,25(4):25～291

[15]　朱正辉1几何量测量(上册)[M]1北京:原子能出版社,20021

[16]　FrancoD,UmbertoM,etal1Designandperformanceofanopticalsensorforthemeasurementofsurfaceroughnessandwaviness[J]1

～1631SPIE,1999,3823:160

第26卷　第5期

2004年10月　　光　学　仪　器OPTICALINSTRUMENTSVol.26,No.5

October,2004

文章编号:100525630(2004)0420054205

表面粗糙度测量方法综述

刘　斌,冯其波,匡萃方

(北京交通大学理学院,北京100044)Ξ

　　摘要:表面粗糙度是机械加工中描述表面微观形貌非常重要的一个参数,表面粗糙度

测量技术是现代精密测试计量技术的一个重要组成部分。综述了接触式和非接触式两类测

量方法,着重介绍了非接触式测量中的几种测量方法的测量原理及其优缺点。

关键词:表面粗糙度;接触式测量;非接触式测量

中图分类号:TG84;TH74

　　　文献标识码:A

Surveyofmtmroughness

IUBin,FENGQi2bo,KUANGCui2fang

(DepartmentofPhysics,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

　　Abstract:Surfaceroughnessisanimportantparametertoreflectthemicro2geometryinmachineprocess,andalsoanimportantpartofmodernprecisemeasurementtechnique.Contactmeasurementandnoncontactmeasurementwassummarizedinthispaper,andtheadvantagesanddisadvantagesaredisucssed.Someideasaboutit’strendaregivenintheend.

Keywords:surfaceroughness;contact2mesurement;noncontact2measurement

1　引　言

表面粗糙度是机械加工中描述表面微观形貌最常用的参数,它反映的是机械零件表面的微观几何形状误差,随着机械加工行业的发展表面粗糙度测量技术也得到长足进步,特别是70年代中后期,随着微电子计算机应用的逐步普及和现代光学技术、激光应用技术的发展,使粗糙度测量技术在机械加工、光学加工、电子加工等精密加工行业中的地位显得愈发重要。

表面粗糙度的测量方法基本上可分为接触式测量和非接触式测量两类:在接触式测量中主要有比较法[1]、印模法[2]、触针法[2,3]等;非接触测量方式中常用的有光切法[2]、实时全息法[3～7]、散斑法[2,3,8,9]、像散测定法[10]、光外差法[11～13]、AFM

作介绍与讨论。

2　接触式测量[14,15]、光学传感器法[16]等。下面就接触式和非接触式两类测量方法分别

接触式测量就是测量装置的探测部分直接接触被测表面,能够直观地反映被测表面的信息,但是这类方法不适于那些易磨损刚性强度高的表面。

Ξ收稿日期:2003212208

作者简介:刘　斌(19792),男,河北沧州人,硕士研究生,从事光电检测方面的研究。

第5期刘　斌等:　表面粗糙度测量方法综述　・55・211　比较法

比较法是车间常用的方法。将被测表面对照粗糙度样板,用手摸靠感觉来判断被加工表面的粗糙度;也可用肉眼或借助于放大镜、比较显微镜比较。比较法一般只用于粗糙度评定参数值较大的情况下,而且容易产生较大的误差。

212　印模法

利用某些塑性材料作块状印模,贴合在被测表面上,取下后在印模上存有被测表面的轮廓形状,然后对印模的表面进行测量,得出原来零件的表面精糙度。对于某些大型零件的内表面不便使用仪器测量,可用印模法来间接测量,但这种方法的测量精度不高且过程繁琐。

213　触针法

触针法又称针描法,它是将一个很尖的触针(半径可以做到微米量级的金刚石针尖)垂直安置在被测表面上作横向移动。触针将随着被测表面轮廓形状作垂直起伏运动。信号并加以放大和运算处理,即可得到工作表面粗糙度参数值,、感应式等[15]几种。这种仪器稳定性好,示数客观可靠,使用方便等优点,。

这种方法也有无法克服的缺点:首先,,从理论上分析,,。但是针尖尺寸过小,,而且还将影响测量效率和测量速度;其次,,又不能因此划伤工件表面和磨损测头。因此,在高,触针式仪器的实用受到限制,提出了高精度、非接触测量的要求。3　非接触式测量

非接触式测量就是利用对被测表面形貌没有影响的手段间接反映被测表面的信息来进行测量的方法,这类方法最大的优点就是测量装置探测部分不与被测表面的直接接触,保护了测量装置,同时避免了与测量装置直接接触引入的测量误差。

311　光切法

光切法是利用光切原理来测量表面粗糙度的方法,它将一束平行光带以一定角度投射与被测表面上,光带与表面轮廓相交的曲线影像即反映了被测表面的微观几何形状,解决了工件表面微小峰谷深度的测量问题,避免了与被测表面的接触。由于它采用了光切原理,所以可测表面的轮廓峰谷的最大和最小高度,要受物镜的景深和鉴别率的限制。峰谷高度超出一定的范围,就不能在目镜视场中成清晰的真实图像而导致无法测量或者测量误差很大。但由于该方法成本低、易于操作,所以还在被广泛应用,如上海光学仪器厂生产的9J(BQ)光切法显微镜。

312　实时全息法

实时全息干涉计量术简称实时法,具有实时、全场、灵敏、非接触、非破坏、精度高等特点,其原理如图1所示。激光束经分束镜后分成两路,反射的为参考光束,经M1反射后再经透镜L1扩束,经针孔后以

另一路光束镜光束镜组LO后准直,以UO物光束照明工件O,最后射向全Ur的参考光束射向全息底片H。

息底片H,在H位置形成被测物表面反射的全息图。全息图经显影后正确复位,在观察屏S上可以实时观察干涉条纹,干涉条纹的对比度C可用下式表示:

C=Θ-exp-Θ+exp-22222(1)

式中,K=exp(i

用电视摄像机或光电扫描测出干涉条纹的强度分布,求出输出光强的极大值与极小值,则可以用

(Imax+Imin)求出对比度C,然后用式(1)计算出表面粗糙度的均方根值Ρ。式(1)是在假设C=(Imax-Imin)

光源具有良好的空间与时间相干性的条件时得出的对比度与表面粗糙度的关系式。实际应用中,在表面粗糙度的均方根值在0105Λm～018Λm范围时,式(1)有较高的准确度。由于实时法是一种单波长的测量,其缺点是粗糙度的均方根值Ρ必须小于所采用的波长,这样就限制了这种方法的适用范围。为了克服这个缺点,文献[6]提出了双波长全息干涉术(two2wavelengthholographicinterferometry,称简TWHI),它是实时法的一种扩展形式。由于双波长全息干涉术利用激光器发出两个或两个以上不同的波长对物体拍摄全息干涉图,相当于用一个等效波长Κ=Κ Κ。1

Κ2 2-Κ1 对物体进行干涉测量,故扩大了测量范围

图1313　散斑法

测量原理如图2La,由分光镜S分成两路,一路照射被测表面O,SM返回,作为参考光与被测表面返回的散射光重新在S汇合发生干涉,采用,并存储到计算机中。参考镜M与一个压电陶瓷(PZT)相连,PZT由计算机控制,M产生一个微小位移∆(x,y)将发生变化。由于相位差是与轮廓深度(即光程差)对应的,因此可根据∆(x,y)确定各点的粗糙度。

激光散班图一般反映了被激光照射表面的微观结构情况,但要从中直接得出表面参数的信息是非常困难的,特别在用单色光照明粗糙表面时,由于非常粗糙表面所形成的散斑并不完全由粗糙度决定,因此用散斑测量表面粗糙度时,只在一定的范围内合适。在某些情况下,由于表面过于光滑而无法用电子散斑干涉仪进行测量,而有时也有可能由于表面过于粗糙而无法测量,故此时可用银灰色的喷漆作为辅助手段,其形状差条纹的灵敏度可高达10Λm

。

图2

　散斑干涉测量光图3　像散法的测量原理

314　像散测定法

图3为其测量原理。物体表面上被照射着的光B通过物镜成像于位置Qx。当光点与物镜距离(光轴方向)变到A或者C时,则成像位置也会分别移至Px或Sx。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断成像的位置。在物镜后面插入一块只能在Y轴方向聚束的柱面透镜。Y轴方面的成像将往前移至Py、Qy、Sy,以后光束便发散。由于X轴,Y轴方向上成像位置的不同,光束成椭圆状,如图4所示,故光点远离物镜时,则为长轴在Y轴上的椭圆;相反,靠近物镜时,则为长轴在X轴上的椭圆,用象限光电探测器(四等分光电二极管)作传感

器,光束经光电转换后再放大和计算,可获得与被测表面微小变位量相对应的输出信号,这种方法分辨力可达到纳米级别,但测量范围较小。

315　光外差干涉法

常见的干涉显微镜分两种形式,我国这两种形式的产品型号分别为6J和6JA型(如上海光学仪器厂生产的6JA(JBS)),光外差干涉法就是在此基础上提出的一种新方法。

图5是光外差法的原理图。由He2Ne激光器1发出的激光被分光镜2分成两路:一路透射经声光调制器3,一级衍射光频率增加f2=40MHz,经反射镜4扩束系统8,由透镜会聚到物镜14的后焦点上,经14后成为平行光照射到被测面15上,作为参考光束;另一路由分光镜2反射经声光调制器5,一级衍射光频增加f1=41MHz,经反射镜6扩束系统7分光镜12,由物镜14会聚在样品表面,作为测量光束,测量光斑的大小由物镜14的参数决定

。

图4

图5　外差干涉式测量原理

　　透过分光镜12的测量光束与被分光镜12反射的参考光束产生拍波;由探测器13接收,产生参考信号,而从被测面返回的两束光由分光镜10反射进入探测器12,产生测量信号。将探测器11、13接收到的测量与参考信号送入相位计进行比相,于是可测得表面轮廓高度值。从理论推导中可以看到,干涉仪二臂不共路部分的相位差通过比相,其影响被消除,这对提高仪器的抗干扰能力,提高信噪比十分有利。该测量装置的缺点是用了两个价格昂贵的声光调制器,不利于产品化。

316　AFM法

AFM的工作原理如图6所示。当将一个对微弱力极其敏感的微悬臂一端固定,另一端带有一微小探针(约10nm)接近被测试样至纳米级距离范围时,根据量子力学理论,在这个微小间隙内由于针尖尖端原子与样品表面原子间产生极微弱的原子排斥力。由驱动控制系统控制X、Y、Z三维压电陶瓷微位移工作台带动其上的被测样品逼近探针并使探针相对扫描被测样品。通过在扫描时控制该原子力的恒定,带有针尖的微悬臂在扫描被测样品时由于受针尖与样品表面原子间的作用力的作用而在垂直于样品表面的方向起伏运动。利用微悬臂弯曲检测系统可测得微悬臂对应于各扫描点位置的弯曲变化,从而可以获得样品表面形貌的三维信息,其高度方向和水平方向的分辨力可分别达到011nm和1nm

。

图6　AFM工作原理图

317　光学传感器法

光学传感器法是在光学三角测距法的原理上提出来的,其工作原理如图7所示。装置主要有两部分构成,有两个位置敏感探测器(PSD)和激光器组成的对称三角测距器及两个光电二极管组成的光传感器。由

　・58・光　学　仪　器第26卷PSD探测到携带被测物体表面信息的光信号,输出两路信号(Td和Sc1);光电二极管探测到的光信号后输出一路模拟电压信号(Sc2),然后利用PSD和光电二极管探测到的信号与被测物表面粗糙度的关系就可以确定被测物体表面的粗糙度。该方法采用技术较成熟的光学三角法,比较容易实现,但是测量精度不高

。图74

　表面粗糙度测量的发展趋势

:一方面现有的常规检测方法不能满足测量精度的要求,;另一方面,复杂立。电子技术、计算机技术及精密加。20世纪80年代出现的原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM)、扫描近场光学显微镜(SNOM)、光子扫描隧道显微镜(PSTM)等[2]用于表面粗糙度的测量是一个很有希望的方向。此外,在科学和生产的许多领域,以往的加工后抽样测量已经不能满足要求,这就需要有能够实现在线测量的测量方法。因此,超高精表面的高精度测量、三维表面粗糙度测量及在线实时测量是粗糙度测量发展的主要方向。

5　参考文献

[1]　计量测试技术手册编辑委员会1计量测试技术手册(第二卷几何量)[M]1北京:中国计量出版社,19971

[2]　李　岩,花国梁1精密测量技术[M]1北京:中国计量出版社,20011

[3]　PramodK1OpticalMeasurementTechniquesandApplications[M]1London:ArtechHouse,19971

[4]　维斯特CM1全息干涉计量学[M]1北京:机械工业出版社,19841

[5]　熊秉衡,王正荣1实时全息干涉计量术的发展近况和趋势[J]1激光杂志,1999,20(3):3～71

[6]　张晓青,施涌潮1双波长全息干涉术的实验研究[J]1宇航计测技术,2001,22(2):1～51

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