CN1059032C - 利用光反射测量表面形貌的方法 - Google Patents
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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
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。
Ho=0 ②
其中:Hi-各点高度 θi-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 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)。
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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