【doc】用光散射法测量表面粗糙度

用光散射法测量表面粗糙度

计量与检测

用光散射法测量表面粗糙度

一

,导害

上海交通女学严慎张鄂

随着新材料,新工艺的不断涌现,人们对

精密机械的质量及结构小型化提出了更严格的

要求,从而也提高了对工作表面功能的要求.

例如:录像机中用金刚石刀具加工的导轮和经

过抛光的录像头,和用来贮存信息的磁盘及光

盘的表面质量等,这些表面的表面粗糙度必须

控翩在见=0,01m左右.由于在精密加工过

程中,刀具的磨损及偶然现象的产生乃不可避

免,单靠控制加工工艺参数很难得到所要求的

表面质量.所以表面粗糙度的在线或生产现场

的测量及控耕也成为一项重要要求.

传统的方法是采用触针式仪器来进行表面

粗糙度测量.然而,触针式仪器的不足之处在

于;1)触针和被测面相接触,造成表面划伤,

触针磨损,2)调整与测量时间较长,尤其是测

量小曲率半径曲面;8)仪器昂贵(~Talysurf一

6型),对环境要求高,无法在生产现场进行

测量,所以.一般认为,采用触针式仪器的测

量方法是一种实验室技术.要克服上述不足,

就必须发展无损,非接触式的快速检测方法.

常用的方法有气动法,电容法,电感法和光

学法.针对表面粗糙度测量来说,目前,最引

人注目的是光学方法.

光波的波长比较短原则上可以实现高精

度测量.有三种典型的光学方法干涉法激光

触针法和光散射法.干涉法主要用于测量光学表面及其它高反射率表面的表面轮廓(面形), 但要应用于机加工表面是困难的.激光触针法目前国内尚处于研究阶段该方法结构复杂要求仪器剐性好,运动精度高,对环境要求也很

苛刻.这两种方法都能获得表面的轮廓,实验室精度都可达到纳米级.激光散射法是通过对散射场的统计来表征表面性质的,这种方法的主要特点是;结构简单,对环境要求低,操作方便,精度能满足工业检测的需要,适台于在生

产现场作质量控制,是一种提有实际应用前途的测量方法.

=,光在租髓襄看散射的基奉原曩

从六十年代开始,人们提出了多种理论来

描述光在粗糙表面的散射,但是,至今还没有一种理论能适用于整个工程表面粗植度范围.其主要原因是被测表面种类繁多,性质各异,很难找到统一的边界条件.目前比较常用的有两种描述方法,即衍射模型和微小镜面模型.前者

适用于描述光在中等或比较光-滑表面的散射. 后者适用于光在较粗糙表面的散射.

1.衍射模型

衍射模型的基本思想是:当一束光入射到

被测表面的一个区域上.由于表面是粗糙的, 反射光向空间各个方向散射,形成一个散射

场,场中某点的场强是被测面上各面元波睁衍射积分在该点的迭加.Beekmann首先从Helmholtz积分出发,在Kirehhoff衍射近

似条件下,确定了在镜反射方向上和偏离镜反射方向上的散射光的平均强度.他的结论为测量远场散射光来估算表面粗糙度的方法提供了理论根据.

如图l所示,当一束单位强度准直单色光

束入射到粗糙表面时.散射光向空间各个方向

2

ij

\///b\椭

一一

4"//'W//f/fw//}f|玎了X

圈1

散射,如果表面的自相关函数为归一化的高斯函数,表面高度变化符合高斯分布,对这样的

一

维随机表面,散射光的分布为:

I(02)=e-I【8inc￡

+

警em】(1)——..Ju

其中:T为表面相干长度

￡为表面被测区域长度,

;

旱(sin0一sin0);

为入射光波长;

旱(删l+c):

F;[1+co8(0l+0:)l/cos01[c0E

+co8O2]}

Rq=[圭J:Z2()d].为均方根,

粗糙度

Z()为表面轮廓.

当考虑高精度表面时,(R)《1I(1)可简

化为:

I(0z)=e-I[8inc￡

+e.㈤

当考虑较租糙表面时,(R).》1;有

Ⅲe(-V棚(3)

上述三式给出了散射光分布与月和的

关系.它是目前应用最广泛的一种理论描述.

2.微小镜面模型

微小镜面模型是适用于描述光在较租糙表

面的散射.它是基于担糙表面由一系勋微小镜面组成,光在每个镜面上的反射遵守几何光学中的平面反射定律.这样就可以在轮廓角6的分布尸(6)与散射光的分布(0.)之间建立起

紧密的关系.

=…t

f

X+—一X

图2

为了简化描述,假设图2中的表面是一维

随机表面.图中,6为轮廓角,Ax为一个小镜

面在轴上投影的宽度.L为入射平行光的宽度,中为入射光的光通量.如图2所示,照射到轮廓角为b≤6≤6.-I-△6的轮廓上的光通量是t △中=芈∑Axf(4)_t

轮廓角6的概率密度分布定义为;

尸(6)=1_,∑△/△6(△6足够小,LL

足够大)

P(b)Ab;∑△

L

△中=中尸(6)Ab(6)

如果材料的反射系数为月,那么在反射角

0≤0≤0:十△0范围内的反射光通量为:

△中=R?△中(6)

一

8一

但定入射光是垂矗入射的,青=.dO=

6.将(6)式写成微分形式:

6d/do=.RP(b)

夸:K={?K,』()=dr/d0z

有.f∞'(7)

L0:=…

(7)式建立了散射光空间分布,(0)与表面轮

廓角分布之间的关系它适用于当表面起伏量远远大于入射光波长,衍射效应可以忽略下的条件.

三,裹薯瞿I蠢度光散射法

测量方案的具体实现

根据光在粗糙表面的散射原理,内外

已经研究开发了多种测量表面粗糙度的仪器和装置,但是已经报道的商品化仪器只有两种.

即国内根据程路.桉环比原理研制的仪器,

及国外Brodmann等人研制的仪器(由Roden