CN114894115A - 一种粗糙表面压入深度的光学原位测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粗糙表面压入深度的光学原位测量方法，包括：1)将透明介质与样品表面进行接触，使用单一波长的光源垂直于透明介质的界面照明，样品表面与透明介质之间的间隙产生薄膜干涉现象，当样品表面与透明介质间的间距持续被压缩时，样品表面上每一点的光强将会经历周期性波动直至与玻璃表面发生接触，获取受压过程中的光强强度曲线；2)寻找受压过程中的光强强度曲线的波峰与波谷，则在某一时刻该点的压入深度＝其强度曲线已经历过的波峰波谷数×1/4波长，对所有样品表面点的压入深度进行平均，得整个样品表面的压入深度，该方法能够对粗糙表面压入深度进行测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学原位测量方法，具体涉及一种粗糙表面压入深度的光学原位测量方法。
背景技术
粗糙表面的接触是接触力学中的一个重要问题，也是理解摩擦、磨损、密封、热传导等现象的作用机理的基础。当两个粗糙表面受压接触时，真实接触只会发生在名义接触面中的一小部分，且表面间存在间隙。压入深度是指从发生接触开始两个粗糙表面的间距减少量，用于描述粗糙表面受压时的变形量。
在现有的压入深度测量技术中，如果是使用位移计，由于固定位置只能在样品的基底上，则测量结果总会计入样品基底的变形。为了扣除基底变形的影响，一种常用的方法是对一个具有光滑表面的等效基底样品进行同样的测试，然后从粗糙样品的测量结果中减去基底实验中的变形量。然而，由于大多数情况下样品表面粗糙度远小于基底厚度，这种间接的测量方法容易存在误差，且受光滑表面基底样品的制备精度影响较大。
除了位移测量法外，采用光学手段可直接测量粗糙表面的形貌变形，从而获得压入深度。这种方法要求其中一个用于接触的介质是透明的，以便光线通过，比如用玻璃与粗糙表面样品相接触。由于测量需在两个界面发生接触的情况下进行，一些传统的形貌测量仪难以实施，比如白光干涉法是无法透过界面的。一种适用的形貌测量方法是数字图像相关法(Digital Image Correlation，DIC)，将样品表面喷涂散斑后，采用两台摄像机从不同角度拍摄样品表面的受压过程，通过相关计算获取表面的形貌变形。然而，此方法的测量精度较低，只能达到毫米级别。另一种高精度的测量方法是多光束干涉法(Multiple BeamInterferometry，MBI)：垂直界面入射的白光在界面间发生干涉产生等色阶条纹(Fringesof Equal Chromatic Order，FECO)，依据其颜色对应不同波长测量出界面间距，精度可达0.1-0.2nm，但测量范围仅限于半个波长以内，即几百纳米，对于粗糙度为微米量级的常见粗糙表面此方法的量程不足。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种粗糙表面压入深度的光学原位测量方法，该方法能够对粗糙表面压入深度进行测量。
为达到上述目的，本发明所述的粗糙表面压入深度的光学原位测量方法包括：
1)将透明介质与样品表面进行接触，使用单一波长的光源垂直于透明介质的界面照明，样品表面与透明介质之间的间隙产生薄膜干涉现象，当样品表面与透明介质间的间距持续被压缩时，样品表面上每一点的光强将会经历周期性波动直至与玻璃表面发生接触，获取受压过程中的光强强度曲线；
2)寻找受压过程中的光强强度曲线的波峰与波谷，则在某一时刻该点的压入深度＝其强度曲线已经历过的波峰波谷数×1/4波长，对所有样品表面点的压入深度进行平均，得整个样品表面的压入深度。
所述透明介质为石英玻璃或钢化玻璃。
使用相机在与光源同轴的位置处对样品表面的整个受压过程持续拍摄记录，并以此获取受压过程中的光强强度曲线。
相机的采集频率高于样品表面干涉光强的波动频率。
每个波峰或波谷代表该点与透明介质表面的间距减小了1/4波长。
测量的分辨率为1/4波长。
测量的量程受限于使用的准单色光源的谱线宽度Δλ。
对于激光光源，量程可达厘米级以上。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的粗糙表面压入深度的光学原位测量方法在具体操作时，记录粗糙表面受压接触时的干涉图像，并根据受压过程中的光强强度曲线计算整个样品表面的压入深度，具有测量精度、可视性及可靠性较高的特点，可以获得粗糙表面各处的形貌变形量，满足常见粗糙表面压入深度的精确测量。
附图说明
图1为本发明的系统结构图；
图2为图像中一个像素点在加载过程中的强度变化曲线示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图1，本发明所述的粗糙表面压入深度的光学原位测量方法包括以下步骤：
1)使用光学方法原位测量粗糙表面受压接触时的形貌变形；
具体的，将透明介质与样品表面进行接触，以便光线通过，所述透明介质为石英玻璃或钢化玻璃。使用单一波长的光源垂直于透明介质的界面照明，样品表面与透明介质之间的间隙产生薄膜干涉现象；其原理与牛顿环类似：样品表面反射的光具有半波损失(即π相移光)，其与透明介质内表面反射的光会发生干涉，两者的光程差为玻璃与样品表面间距的两倍。于是，在垂直照明条件下，在表面间距为半波长的整数倍处会发生干涉相消，而在表面间距为半波长的半整数倍处会发生干涉相长。当样品表面与透明介质间的间距持续被压缩时，样品表面上每一点的光强将会经历周期性波动直至与玻璃表面发生接触，周期为半波长，使用相机在与光源同轴的位置处对样品表面的整个受压过程持续拍摄记录，相机的采集频率高于样品表面干涉光强的波动频率，即样品的加载速率除以半波长。
2)从拍摄的图像中对每一个像素点进行干涉波的识别：
从样品与透明介质表面发生接触开始，寻找受压过程中的光强强度曲线的波峰与波谷，其中，每个波峰或波谷代表该点与透明介质表面的间距减小了1/4波长。则在某一时刻该点的压入深度＝其强度曲线已经历过的波峰波谷数×1/4波长，对所有样品表面点的压入深度进行平均，得整个样品表面的压入深度，在该处理方法下，本发明的分辨率为1/4波长，约为百纳米级别。而本发明的量程受限于使用的准单色光源的谱线宽度Δλ，约为
如果使用单色性极好的激光光源，则量程可达厘米级以上。
实施例一
图1为本发明的侧视结构示意图，将CMOS相机安装在配备物镜的镜筒上，在正上方捕获实验图像，同轴点光源从镜筒上的端口入射，经半透半反镜形成与镜筒同轴的光路，从而垂直照明样品。将钢化玻璃圆盘固定在物镜下方，并使相机的焦平面位于其下表面上。将样品固定在力传感器上，在伺服电机的加载下使其与玻璃圆盘发生接触。
图2为捕获的图像中一个像素点在加载过程中的强度(亮度)变化曲线示意图，对于每一个像素点，寻找其从开始加载到发生接触过程中的强度曲线的波峰与波谷，每个波峰或波谷代表该点与玻璃表面的间距变化了1/4波长，为排除噪声导致的扰动，需在寻找时对波峰与波谷的突起度和宽度进行适当要求。
Claims (8)
1.一种粗糙表面压入深度的光学原位测量方法，其特征在于，包括：
1)将透明介质与样品表面进行接触，使用单一波长的光源垂直于透明介质的界面照明，样品表面与透明介质之间的间隙产生薄膜干涉现象，当样品表面与透明介质间的间距持续被压缩时，样品表面上每一点的光强将会经历周期性波动直至与玻璃表面发生接触，获取受压过程中的光强强度曲线；
2)寻找受压过程中的光强强度曲线的波峰与波谷，则在某一时刻该点的压入深度＝其强度曲线已经历过的波峰波谷数×1/4波长，对所有样品表面点的压入深度进行平均，得整个样品表面的压入深度。
2.根据权利要求1所述的粗糙表面压入深度的光学原位测量方法，其特征在于，所述透明介质为石英玻璃或钢化玻璃。
3.根据权利要求1所述的粗糙表面压入深度的光学原位测量方法，其特征在于，使用相机在与光源同轴的位置处对样品表面的整个受压过程持续拍摄记录，并以此获取受压过程中的光强强度曲线。
4.根据权利要求3所述的粗糙表面压入深度的光学原位测量方法，其特征在于，相机的采集频率高于样品表面干涉光强的波动频率。
5.根据权利要求1所述的粗糙表面压入深度的光学原位测量方法，其特征在于，每个波峰或波谷代表该点与透明介质表面的间距减小了1/4波长。
6.根据权利要求1所述的粗糙表面压入深度的光学原位测量方法，其特征在于，测量的分辨率为1/4波长。
7.根据权利要求1所述的粗糙表面压入深度的光学原位测量方法，其特征在于，测量的量程受限于使用的准单色光源的谱线宽度Δλ。
8.根据权利要求7所述的粗糙表面压入深度的光学原位测量方法，其特征在于，对于激光光源，量程能够达厘米级以上。
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