接触与非接触两用表面轮廓综合测量仪

　　表面形貌的测量方法有很多,如触针法、光学法、扫描电子显微镜(SEM)及扫描隧道显微镜(STM)等.其中,触针法测量精度较高,量程大,测量结果稳定可靠、重复性好,一直是各国国家标准和国际标准制定的依据.但是触针式仪器存在以下缺点:

　　1)尖锐的触针在一定测量压力下可能损伤被测工件表面,同时影响测量结果的真实性.

　　2)在测量过程中触针可能变形和磨损.

　　3)为使测头不至于很快磨损,测头的硬度一般都很高,因此不适于软金属表面、生化材料表面、橡胶表面、含信息表面以及超精加工表面的测量.

　　4)测量速度较慢,在三维表面测量时显得尤为突出.

　　与触针式仪器相比,采用非接触测量方式的光针扫描轮廓仪具有测量速度快、无损伤等优点,但这种轮廓仪也存在一定缺点:

　　1)对被测表面清洁度要求较高,灰尘和油污对其测量结果影响较大.

　　2)在测量含有较大倾斜角的轮廓表面时,会造成信号畸变和失真.

　　3)工件材料的反射率及表面峰谷的高低程度对测量结果有较大影响.

　　由此可见,如果在同一台仪器上同时配备接触测量头和非接触测量头,使它能同时进行接触测量和非接触测量,则可以满足对工程表面测量的不同需要,同时仪器成本降低,应用范围增大.

　　1 测量系统结构及原理

　　两用表面轮廓综合测量仪主要由自动聚焦式非接触位移测头、激光干涉触针式位移测头、共运动基面X-Y测量工作台组成.系统结构见图1,外观实物见图2.

　　2 非接触式测量头的设计

　　测量系统的非接触式测量头采用了一种基于傅科改进法的聚焦检测光路,其工作原理如图3所示.半导体激光二极管发出的光束经扩束、整形及准直后成为平行光,穿过分光镜9经聚焦透镜5形成圆形光斑,聚焦在工件表面上形成光学探针.经工件表面反射后,反射光则沿原光路返回到分光棱镜9,但此时反射光与原入射光的线偏振方向已旋转了90°,因此反射光不能透射而返回激光器.反射光经耦合物镜10到达分束棱镜11上,被分成两束光分别投射到两组二象限光电探测器上产生聚焦误差信号.

　　当光束焦点位于被测工件表面上时,两个反射光斑分别处于两组光电探测器的中部,此时四个光电二极管接收到相同的光通量,聚焦误差信号为零;当入射光束汇聚点高于被测工件表面,即处于近焦状态时,反射光汇聚后的焦点右移,经棱镜分裂成的两束光到达光电探测器时的距离拉开,反射光斑向外侧移动,因此外侧光电二极管(S1, S4)受光量比内侧光电二极管(S2, S3)增多,如图4(c)所示,聚焦误差信号大于零;反之,当入射光束汇聚点低于被测工件表面,即处于近焦状态时,反射光汇聚后的焦点左移,经棱镜分裂成的两束光到达光电检测器时的距离靠近,造成S1和S4受光量减少,S2和S3的受光量增加,如图4(b)所示,聚焦误差信号小于零.