一种非接触式表面形貌测量系统的研究

　　O引言

　　随着机械、电子及光学工业的飞速发展，对表面质量的研究已经渗透到各个领域，表面形貌对各类零部件与器件乃至整机性能的重要影响已受到广泛的重视〔’〕.目前普遍使用的机械触针式轮廓仪的测量速度较慢，触针对软质表面会造成微小划痕，因而难以满足在线检测及对精密表面的测量.同时，随着对表面特性的深入认识，人们越来越感到用一条轮廓来描述一个表面的局限性，必须由二维轮廓测量发展到三维形貌测量.

　　迄今为止已有多种测量原理的表面形貌非接触测量方法，如:光切法，各种原理的光触针和干涉显微镜，扫描电子显微镜以及扫描隧道显微镜等[z，3〕.其中光触针由于没有机械接触，可广泛用于各种高技术领域.为此，作者研制了基于象散原理的光触针式轮廓传感器及其表面三维形貌测量系统.

　　1基本原理

　　图1为象散法的基本原理图.物体表面上被照光点B通过透镜L，成象于Q二.当光点沿光轴方向变动至A或C时，其成象点亦变动至尸，或S二，从其中间某一位置垂直于光轴的平面D上看，当光点位置变化时，该平面上的光斑大小也随之变化.若在透镜L、之后再放一个在y轴方向会聚的柱面镜L:，则在y一z平面内的成象点会前移，如图1(a)中分别移至p，、Q，、凡.因此，D平面上的光斑大小也随着变化.由于在x轴、y轴上的成象位置不同，D平面上的光斑呈椭圆状.若在D平面上放入四象限光电池，则探测到的反射象如图1(b)所示.显然，被测面的轮廓起伏和探测器面上的反射象图形变化有对应关系.如果探测器上4个象限的信号分别A，~A、，若使

　　测量中只要得到S值，即可获得被测表面轮廓起伏的信息.由于输出信号S的分母为(A;+AZ+月、+A;)，S即为归一化的输出信息.因此，无论表面的反射率或者光源的输出能量是否变化，S均不受影响.

　　实际测量中所使用的光触针传感器的光路结构如图2所示.图中:S为被测表面;O为显微物镜;I.，为扩束透镜;LZ为1/4波片;I..，、入2为柱面镜;Bl、B:为偏振分光镜;D，、D。为四象限光电探测器.考虑到光的衍射作用，在实际测量系统中采用2个光电探测器，用两者输出信号之差来消除衍射的影响.偏振分光镜和1/4波片可防止经工件表面反射的光束再返回激光器，保证激光器输出能量稳.

　　2理论分析

　　研究光触针的特性就是研究在不同情况下特征值S与表面起伏乙的关系，这对于传感器的结构设计、参数优化有着重要意义.

　　本系统采用半导体激光器作光源，而激光束为高斯光束，其成象规律与球面波不同.此外，几何光学认为光束能会聚成一几何点，但实际的激光束是不可能的，且输出信号的特征值S是以光斑的大小为依据.所以，本文采用激光束光学方法中的ABCD定律川来分析光触针的特性，这显然要比采用传统的几何光学方法来描述高斯激光束的传播与变换更为合理.