CN1059032C - 利用光反射测量表面形貌的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用光反射测量表面形貌的方法，属摩擦磨损领域。本方法是将一束平行光以一初始入射角照射被测件表面，在被测件表面上方用CCD摄象头通过显微镜接收被测表面的反射光及散射光的光强。同时记录CCD摄象头中每一象素接收到的光强值及其入射角值；然后改变入射角，则CCD可接收到一最大光强值，记录每一点达到光强最大值时的入射角数值。即可按θ＝α/2的关系，求得该点的倾角θ值。(α为入射角)。再通过数值计算的方法即可求得各点的高度，将各高度点联接即可得到被测处的表面形貌。

Description

利用光反射测量表面形貌的方法

本发明涉及表面形貌的测量方法，属磨擦磨损领域。

在研究摩擦磨损的过程中，常常需要做一种磨损试验，通常是在环块磨损试验机上做，示意如图一：在一定润滑条件下，经过一定时间的磨损，试件表面将留下一条圆弧形的凹槽，称为磨痕。磨痕的深度、面积等信息反映了磨损情况及材料特性。因此需要测量磨痕的形状。这种测量属于表面形貌的的测量。目前，常用的表面形貌测量方法有：

1.使用触针式轮廊仪

这是应用最为广泛的一种方法。使一个具有微小圆弧半径的的金钢石触针与被测表面接触，并在垂直于表面纹理的方向上拖动触针，由于表面的微观不平引起触针的上下运动，从而把表面高度转换为触针的垂直位移。触针的移动量通过传感器变换为电信号，再经过放大、运算，获得被测表面的截面轮廓。经过计算处理，就可表示被测表面的粗糙度参数。

优点：

直接给出被测表面轮廓曲线，可得到多种评定参数值；可测量平面、柱面、孔、复杂的曲面等；测得的信号与表面形貌的关系直接，数据处理简便；可得到较高精度。因此这种方法应用十分广泛。

缺点：

触针与被测表面直接接触，且有相对滑动，很容易划伤表面，对于象铝这样的软表面或者镀层表面，触针法就不适用；反过来，触针也会被表面磨损，如果表面太粗糙，则粗糙表面对针尖的磨损太厉害，也不适用。此外每次测量只能得到一个截面的形状，如果要测量整个表面的三维形貌，就需要来回做多次扫描，以获得多个截面信息，速度很慢，还需要一套精确的定位系统。

2.光干涉法

光在不平表面产生干涉条纹。用显微镜观察，或将干涉图象输入计算机做处理，可根据干涉带计算出表面形状。

优点：

精度非常高，可达纳米级；非接触，不破坏被测表面；可做三维测量。

缺点：

测量深度小，仅适用于微观不平度＜1μm。因为深度大了之后，形成的干涉条纹互相交织，很难测量。且取样范围小，无法测量较大面积。

3.光反射、散射、散斑等方法

光投射到物体表面，发生反射和散射。对于一般符合高斯分布的粗糙表面，反射光强、散射光强与表面粗糙度有直接关系。测量反射光强或散射光强即可得到粗糙度参数。

优点：

快速、方便；非接触，不破坏表面。

缺点：

只能得到关于表面的统计参数，也即粗糙度值，不能测出具体的轮廓。对于类似磨痕测量这一类问题无能为力。

本发明的目的是提供一种非接触式测量表面形貌的方法，其测量量程较大，并能测出实际的表面轮廓。

按光反射的原理，当一束平行光以一定的入射角照射在一倾斜角为θ的倾斜平面时(见图2)，在该被照射点的上方即可接收到反射光和散射光，且其光强与入射角有关，改变入射角的角度可以在某一值时测得最强光强(见图3)。此时反射光被全部接收。而且入射角α与倾斜角θ的关系为α＝2θ。

当将一束平行光以一定入射角照射在被测表面上，在被测表面上方用电荷耦合摄象头(CCD)通过显微镜接收被测表面的反射光和散射光的光强，并记录入射角及接收到的光强数据；然后改变入射角，则CCD接收到的光强值也改变，记录此时的入射角及接收到的光强值，如此不断改变入射角，接收到不同的光强值，其中接收到一个最大光强值时，同时得到最大光强值时的入射角α值。且此时的被测表面倾斜角θ＝α/2，从而可以求得被测处的高度轮廓。由于CCD摄象头有512×512个象点，所以在一次照射时，可同时测得512×512个相邻的点的光强值，虽然这些象点不是同时达到最大光强值，但可以分别记录各点达到最大光强值时的入射角，从而求得各点的微观倾角。因此就可记录到一组倾角值，通过数值计算的方法，就可以得出该照射点的轮廓。

因此本发明的测量方法可以叙述为：一束平行光以一初始入射角照射被测件表面，在被测件表面上方用CCD摄象头通过显微镜接收被测表面的反射光及散射光的光强。同时记录CCD摄象头中每一象素接收到的光强值及其入射角值；然后改变入射角，CCD摄象头接收到的光强发生变化，记录此时的各点光强值及入射角值，如此不断改变入射角，则CCD可接收到一最大光强值，记录每一点达到光强最大值时的入射角数值。即可按θ＝α/2的关系，求得该点的倾角θ值。(α为入射角)。再通过数值计算的方法即可求得各点的高度，将各高度点联接即可得到被测处的表面形貌。

计算公式为：

    H_o＝0                 ②

其中：H_i-各点高度  θ_i-各点倾角

△X-采样步长

具体测量过程如下：

测量在X-Y平面上每一点的高度H(X，Y)。

以△X，△Y的步长对X-Y平面做网络剖分，实际测量的是这些网络点上的高度值H(i，j)，i-X方向，0、1、2、3......。j-Y方向，0、1、2、3.....。

首先，在Y方向上做一遍测量，求得X＝0直线上各点的高度H(0，j)。(按下式计算)。

H(0，0)＝0 $H(0,j+1)=H(0,j)+\frac{Q_Y(0,j)+Q_Y(0,j+1)}{2}\mathrm{\ΔY}$ 然后，在X方向做一遍测量，以求得的H(0，j)作为起始值，求得各点高度H(i，j)(按下式计算)。 $H(i+1,j)=H(i,j)+\frac{Q_X(i,j)+Q_X(i+1,j)}{2}\mathrm{\ΔX}$

连接各点高度即可得到被测件的表面轮廓。

说明附图如下：

图1为磨损试验示意图。

图2为光强检测示意图。

图3为得到最大光强时的示意图。

图4为本发明测量方法测量过程示意图。

图5、图6、图7、图8为测量过程的程序框图。

结合附图说明实施例如下：

图4是本发明测量方法的测量过程示意图。平行光束1，经反射镜2反射后照射到安放于载物台3上的被测件4表面。由于被测件表面的不平度，该平行光束被反射及散射，反射光及散射光5，经显微镜6后被CCD摄象头7收集，CCD摄象头由图象采集卡8控制采样参数，将采得的光强信号输入计算机9进行数据处理，处理结果可以打印输出及在显示器上显示。反射镜2可由驱动机构带动作回转运动，以改变照射光的入射角。

Claims (1)

1.一种利用光反射测量表面形貌的方法，其特征是：将一束平行光以一初始入射角照射被测件表面，在被测件表面上方用电荷耦合摄象头(CCD)通过显微镜接收被测表面的反射光及散射光的光强。同时记录CCD摄象头中每一象素接收到的光强值及其入射角值；然后改变入射角，CCD摄象头接收到的光强发生变化，记录此时的各点光强值及入射角α值，如此不断改变入射角，则CCD可接收到一最大光强值，记录每一点达到光强最大值时的入射角数值，即可按θ＝α/2的关系，求得该点的倾角θ值，再通过数值计算的方法即可求得各点的高度，将各高度点联接即可得到被测处的表面形貌。

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