專利名稱：利用光反射測量表面形貌的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面形貌的測量方法，屬磨擦磨損領(lǐng)域。
在研究摩擦磨損的過程中，常常需要做一種磨損試驗(yàn)，通常是在環(huán)塊磨損試驗(yàn)機(jī)上做，示意如圖一在一定潤滑條件下，經(jīng)過一定時間的磨損，試件表面將留下一條圓弧形的凹槽，稱為磨痕。磨痕的深度、面積等信息反映了磨損情況及材料特性。因此需要測量磨痕的形狀。這種測量屬于表面形貌的的測量。目前，常用的表面形貌測量方法有1.使用觸針式輪廊儀這是應(yīng)用最為廣泛的一種方法。使一個具有微小圓弧半徑的的金鋼石觸針與被測表面接觸，并在垂直于表面紋理的方向上拖動觸針，由于表面的微觀不平引起觸針的上下運(yùn)動，從而把表面高度轉(zhuǎn)換為觸針的垂直位移。觸針的移動量通過傳感器變換為電信號，再經(jīng)過放大、運(yùn)算，獲得被測表面的截面輪廓。經(jīng)過計(jì)算處理，就可表示被測表面的粗糙度參數(shù)。
優(yōu)點(diǎn)直接給出被測表面輪廓曲線，可得到多種評定參數(shù)值；可測量平面、柱面、孔、復(fù)雜的曲面等；測得的信號與表面形貌的關(guān)系直接，數(shù)據(jù)處理簡便；可得到較高精度。因此這種方法應(yīng)用十分廣泛。
缺點(diǎn)觸針與被測表面直接接觸，且有相對滑動，很容易劃傷表面，對于象鋁這樣的軟表面或者鍍層表面，觸針法就不適用；反過來，觸針也會被表面磨損，如果表面太粗糙，則粗糙表面對針尖的磨損太厲害，也不適用。此外每次測量只能得到一個截面的形狀，如果要測量整個表面的三維形貌，就需要來回做多次掃描，以獲得多個截面信息，速度很慢，還需要一套精確的定位系統(tǒng)。
2.光干涉法光在不平表面產(chǎn)生干涉條紋。用顯微鏡觀察，或?qū)⒏缮鎴D象輸入計(jì)算機(jī)做處理，可根據(jù)干涉帶計(jì)算出表面形狀。
優(yōu)點(diǎn)精度非常高，可達(dá)納米級；非接觸，不破壞被測表面；可做三維測量。
缺點(diǎn)測量深度小，僅適用于微觀不平度＜1μm。因?yàn)樯疃却罅酥螅纬傻母缮鏃l紋互相交織，很難測量。且取樣范圍小，無法測量較大面積。
3.光反射、散射、散斑等方法光投射到物體表面，發(fā)生反射和散射。對于一般符合高斯分布的粗糙表面，反射光強(qiáng)、散射光強(qiáng)與表面粗糙度有直接關(guān)系。測量反射光強(qiáng)或散射光強(qiáng)即可得到粗糙度參數(shù)。
優(yōu)點(diǎn)快速、方便；非接觸，不破壞表面。
缺點(diǎn)只能得到關(guān)于表面的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，也即粗糙度值，不能測出具體的輪廓。對于類似磨痕測量這一類問題無能為力。
本發(fā)明的目的是提供一種非接觸式測量表面形貌的方法，其測量量程較大，并能測出實(shí)際的表面輪廓。
按光反射的原理，當(dāng)一束平行光以一定的入射角照射在一傾斜角為θ的傾斜平面時(見圖2)，在該被照射點(diǎn)的上方即可接收到反射光和散射光，且其光強(qiáng)與入射角有關(guān)，改變?nèi)肷浣堑慕嵌瓤梢栽谀骋恢禃r測得最強(qiáng)光強(qiáng)(見圖3)。此時反射光被全部接收。而且入射角α與傾斜角θ的關(guān)系為α＝2θ。
當(dāng)將一束平行光以一定入射角照射在被測表面上，在被測表面上方用電荷耦合攝象頭(CCD)通過顯微鏡接收被測表面的反射光和散射光的光強(qiáng)，并記錄入射角及接收到的光強(qiáng)數(shù)據(jù)；然后改變?nèi)肷浣牵瑒tCCD接收到的光強(qiáng)值也改變，記錄此時的入射角及接收到的光強(qiáng)值，如此不斷改變?nèi)肷浣?，接收到不同的光?qiáng)值，其中接收到一個最大光強(qiáng)值時，同時得到最大光強(qiáng)值時的入射角α值。且此時的被測表面傾斜角θ＝α/2，從而可以求得被測處的高度輪廓。由于CCD攝象頭有512×512個象點(diǎn)，所以在一次照射時，可同時測得512×512個相鄰的點(diǎn)的光強(qiáng)值，雖然這些象點(diǎn)不是同時達(dá)到最大光強(qiáng)值，但可以分別記錄各點(diǎn)達(dá)到最大光強(qiáng)值時的入射角，從而求得各點(diǎn)的微觀傾角。因此就可記錄到一組傾角值，通過數(shù)值計(jì)算的方法，就可以得出該照射點(diǎn)的輪廓。
因此本發(fā)明的測量方法可以敘述為一束平行光以一初始入射角照射被測件表面，在被測件表面上方用CCD攝象頭通過顯微鏡接收被測表面的反射光及散射光的光強(qiáng)。同時記錄CCD攝象頭中每一象素接收到的光強(qiáng)值及其入射角值；然后改變?nèi)肷浣?，CCD攝象頭接收到的光強(qiáng)發(fā)生變化，記錄此時的各點(diǎn)光強(qiáng)值及入射角值，如此不斷改變?nèi)肷浣牵瑒tCCD可接收到一最大光強(qiáng)值，記錄每一點(diǎn)達(dá)到光強(qiáng)最大值時的入射角數(shù)值。即可按θ＝α/2的關(guān)系，求得該點(diǎn)的傾角θ值。(α為入射角)。再通過數(shù)值計(jì)算的方法即可求得各點(diǎn)的高度，將各高度點(diǎn)聯(lián)接即可得到被測處的表面形貌。
計(jì)算公式為H1+1=H1+θ1+θ1+12ΔX...(1)]]>H0＝0②其中H1-各點(diǎn)高度θ1-各點(diǎn)傾角ΔX-采樣步長具體測量過程如下測量在X-Y平面上每一點(diǎn)的高度H(X，Y)。
以ΔX，ΔY的步長對X-Y平面做網(wǎng)絡(luò)剖分，實(shí)際測量的是這些網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)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方向上做一遍測量，求得X＝0直線上各點(diǎn)的高度H(0，j)。(按下式計(jì)算)。
H(0，0)＝0H(O,j+1)=H(O,j)+QY(Q,j)+QY(O,j+1)2ΔY]]>然后，在X方向做一遍測量，以求得的H(0，j)作為起始值，求得各點(diǎn)高度H(i，j)(按下式計(jì)算)。H(i+l,j)=H(i,j)+Qx(i,j)+Qx(i+l,j)2ΔX]]>連接各點(diǎn)高度即可得到被測件的表面輪廓。
說明附圖如下圖1為磨損試驗(yàn)示意圖。
圖2為光強(qiáng)檢測示意圖。
圖3為得到最大光強(qiáng)時的示意圖。
圖4為本發(fā)明測量方法測量過程示意圖。
圖5、圖6、圖7、圖8為測量過程的程序框圖。
結(jié)合


實(shí)施例如下圖4是本發(fā)明測量方法的測量過程示意圖。平行光束1，經(jīng)反射鏡2反射后照射到安放于載物臺3上的被測件4表面。由于被測件表面的不平度，該平行光束被反射及散射，反射光及散射光5，經(jīng)顯微鏡6后被CCD攝象頭7收集，CCD攝象頭由圖象采集卡8控制采樣參數(shù)，將采得的光強(qiáng)信號輸入計(jì)算機(jī)9進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理結(jié)果可以打印輸出及在顯示器上顯示。反射鏡2可由驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動作回轉(zhuǎn)運(yùn)動，以改變照射光的入射角。
權(quán)利要求
1.一種利用光反射測量表面形貌的方法，其特征是將一束平行光以一初始入射角照射被測件表面，在被測件表面上方用電荷耦合攝象頭(CCD)通過顯微鏡接收被測表面的反射光及散射光的光強(qiáng)。同時記錄CCD攝象頭中每一象素接收到的光強(qiáng)值及其入射角值；然后改變?nèi)肷浣?，CCD攝象頭接收到的光強(qiáng)發(fā)生變化，記錄此時的各點(diǎn)光強(qiáng)值及入射角值，如此不斷改變?nèi)肷浣?，則CCD可接收到一最大光強(qiáng)值，記錄每一點(diǎn)達(dá)到光強(qiáng)最大值時的入射角數(shù)值，即可按θ＝α/2的關(guān)系，求得該點(diǎn)的傾角θ值，再通過數(shù)值計(jì)算的方法即可求得各點(diǎn)的高度，將各高度點(diǎn)聯(lián)接即可得到被測處的表面形貌。
全文摘要
一種利用光反射測量表面形貌的方法,屬摩擦磨損領(lǐng)域。本方法是將一束平行光以一初始入射角照射被測件表面,在被測件表面上方用CCD攝象頭通過顯微鏡接收被測表面的反射光及散射光的光強(qiáng)。同時記錄CCD攝象頭中每一象素接收到的光強(qiáng)值及其入射角值;然后改變?nèi)肷浣?則CCD可接收到一最大光強(qiáng)值,記錄每一點(diǎn)達(dá)到光強(qiáng)最大值時的入射角數(shù)值。即可按θ=α/2的關(guān)系,求得該點(diǎn)的傾角θ值。(α為入射角)。再通過數(shù)值計(jì)算的方法即可求得各點(diǎn)的高度,將各高度點(diǎn)聯(lián)接即可得到被測處的表面形貌。
文檔編號G01N21/88GK1177733SQ9710442
公開日1998年4月1日 申請日期1997年5月30日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月30日
發(fā)明者溫詩鑄, 黃平, 蔣瑋, 雒建斌, 鄒茜 申請人:清華大學(xué)