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、A FM 、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 μm.，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, 一级衍射光频率增加f 2= 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1

3、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1～0.03微米，用测微目镜和照相方法来评定▽10～▽14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▽）▽10～▽14

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φ0.25毫米

仪器的视场:照相0.21×0.15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---1μm（▽10----▽14）

放大倍数：500×（目视）；168×(照相）

视场范围：Φ0.25mm（目视）；0.15×0.21mm（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) 0420054205

[2] 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

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

[4]Pramod K，Optical Measurement Techniques and Applications[M ]1London:

Artech House, 19971