光外差干涉法测表面粗糙度

光外差干涉法测表面粗糙度摘要：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。本文主要介绍了 用光外差干涉法测量表面粗糙度的原理、优缺点以及运用。关键词：表面粗糙度；光外差干涉法；6JA干涉显微镜正文：一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，表面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有着及其重要的作用。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、印模法、触针法等；非接触测量方式中常用的有光 切法、实时全息法、散斑法、像散测定法、光外差法、AFM、光学传感器法等。传统的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。用这 种方法所测出的表面轮廓信息及触针圆心的移动轨迹，从理论上分析，只有当 触针的尖端圆半径等于零时，触针的运动才能正确地反映被测表面的实际轮廓 曲线。但是针尖尺寸过小，不仅会划伤被测表面，触针本身也容易磨损，而且还 将影响测量效率和测量速度；测量力大小的控制：既要保证测头与表面始终保 持接触，又不能因此划伤工件表面和磨损测头。因此，在高精密表面如光盘、磁 盘检测领域，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。 所以对于高精度的表面测量，我们必须采取其他的精度更高非接触测量方法。而 光切法和光传感器法的测量精度不高，光切法受物镜的景深和鉴别率影响，实时 全息法（表面粗糙度均方根值要小于光波长）、散斑法（表面不能过于光滑和粗 糙）、象散法、AFM法的测量的范围比较小，而本文讨论的光外差干涉法测量精 度高，而且测量范围也比较大。二光外差干涉法1、特点光外差干涉法是非接触测量的一种，是在基于干涉显微镜的基础上提出的一 种测量表面粗糙度的新方法。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，其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，其测量表面起伏精度及横向分辨精度达到0.11 nm及4 “m.，而测 量范围比较广。2、原理图1是光外差法的原理图。由He2N e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, 级衍射光频率增加f 2= 40MHz,经反射镜4 扩束系统&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, 级衍射光 频增加f 1= 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。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11,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。图13、实例6JA干涉显微镜由上海光学仪器厂生产的6JA （JBS）干涉显微镜用以测量表面光洁度，刻 线或度层的深度，配以各种附件还能测量粒状，纹路混乱和底反射率的表面。同 时还可将仪器安置在工件上，对大型工件表面进行测量。本仪器是用来测量精密 加工零件（平面、圆柱等外表面）光洁度的仪器，也可以用来测量零件表面刻线, 镀层等深度。仪器配对各种附件，还能测量粒状，加工纹路混乱的表面，低反射率的工件 表面。同时还能将仪器安置在工件上，对大型工件表面进行测量。仪器测量表面不平深度范围为10.03微米，用测微目镜和照相方法来评定 1014光洁度的表面。本仪器适用于厂矿企业计量室，精密加工车间，也适用于高等院校，科学研 究等单位。测量表面光洁度范围（表面粗糙度0.1 0.006厂） 1014 主要技术规格工作物镜的数值孔径0.65工作距离0.5毫米仪器的视场：目视0 0.25毫米仪器的视场:照相0.21X0.15毫米仪器的放大倍数：目视500倍仪器的放大倍数：照相168倍测微目镜放大倍数 12.5 倍工作台升程5毫米X、Y方向移动范围10毫米 旋转运动范围360度 不平深度测量范围：0.03-1p m （IO冷） 放大倍数：500X（目视）；168X（照相） 视场范围：0 0.25mm （目视）；0.15X0.21mm（照相） 工作距离：0.5mm测微器分划值：0.01mm三表面粗糙度测量的发展趋势现代科技和生产的许多领域对表面的质量提出了更高的要求：一方面现有 的常规检测方法不能满足测量精度的要求，特别是纳米技术的出现相应地提高 了对表面粗糙度测量精度的要求；另一方面，复杂立体形状加工技术的发展也 对三维表面粗糙度测量的发展提出了新的要求。电子技术、计算机技术及精密加 工技术的发展为表面粗糙度测量的发展提供了技术基础。20世纪80年代出现的 原子力显微镜（A FM ）、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。四参考文献1 刘斌，冯其波,匡萃方北京理工大学表面粗糙度测量方法综述文章编号：100525630 （2004） 04200542052 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，199713 李 岩，花国梁1精密测量技术M 1北京：中国计量出版社，200114 Pramod K, Optical Measurement Techniques and ApplicationsM 1London:Artech House, 199715 Church E L , Jenkinson HA , Zarada J M, , Rela tio nship bet ween surface scattering and microtopographic features J 1Optical Engineering , 1979, 18 (2) : 12513616 徐静芬，徐金武译1表面粗糙度的像散检定法J1机械工具，1987, 31(11) : 27 3217 朱正辉，几何量测量(上册)M 1北京：原子能出版社，200218 李亚菲，国内外表面粗糙度研究概况及方向M,长沙交通学院学报