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基于空间平均静态及动态散斑法表面粗糙度测量技术研究

高昭  
【摘要】:在许多工程领域中,表面粗糙度测量一直是一个重要的研究课题。表面粗糙度值是表面质量的反映,可用来预测表面的使用性能。目前许多技术已应用于表面粗糙度的测量之中:从最早的主观判断(如视觉检查、指甲触感)到客观比较(如电容法、超声法),从接触式机械触针仪到非接触式光学触针仪,从功能低的光学显微技术再到后来革命性的扫描隧道显微镜(STM)及原子力显微镜(AFM)。但还有两种技术——光散射技术与散斑对比度技术更应引起注意,它们能提供对弱散射表面粗糙度的实时评价,对在线或过程中表面粗糙度测量具有很好的应用前景。 本文在对各种原理的表面粗糙度测量方法进行综述的基础上,针对目前光散射法与散斑对比度法中存在的问题,提出了一种适用于弱散射体表面粗糙度测量的静态散斑法(SAM)及动态散斑法(DSAM)测量技术。 实际测量中经常使用并且易于实现的是入射光斜入射粗糙面,观察者在近场区域观察并记录散斑图样。但常用的Beckmann理论仅给出了粗糙面衍射的远场解,并未给出近场解。而菲涅耳衍射公式仅适合描述入射光正入射时两平行平面间的衍射,若将其用于斜入射情况,则需引入几何光学近似来计算粗糙面出射光场。为解决这一问题,本文对菲涅耳-基尔霍夫衍射基本公式进行了重新解释,给出描述反射型表面衍射的倾斜因子,将透射孔径衍射模型扩展到反射表面衍射模型,建立了入射光斜入射情况下反射型弱散射面的衍射方程。 光散射法测量容易受到散射光分布中的散斑效应影响,导致测量结果的起伏。为避免该问题,本研究将散斑视为含有表面结构有用信息的载体,而不再视为噪声,提出了一种基于散斑技术的测量方法。光散射法的另一个问题是所测得的光信号会受到漫散射光成分的影响,这一影响通过实验无法消除。本研究将镜向光场视为镜反射场分量与漫散射场分量的相干叠加,将镜反射场分量视为均匀背景场,将漫散射场分量视为完全无规场,从总光强信号中去除了漫散射成分。 散斑对比度法一个很大的缺点是其测量结果对被测表面相关长度的变化十分敏感,这使得该方法的可靠性下降。另一个缺点是在工程应用中遇到的难题,因其理论建立在系综平均概念基础上,而在工程中系综平均无法实现。针对这些问题,引入Goodman关于散斑场局部遍历特性的假设,并对整场散斑进行空间平均,建立了基于空间平均分析的静态散斑法(SAM)表面粗糙度测量理论的基础。 动态散斑多用于强散射体速度大小、方向的测量或振动分析,在弱散射体表面粗糙度测量中的应用极少见到。本研究通过对动态散斑图样统计特性及成像过程的分析,在静态散斑法的基础上,提出一种动态散斑法(DSAM)表面粗糙度测量技术用于运动表面质量检测,建立了该方法的理论基础。 对提出的静态及动态散斑法(SAM和DSAM)进行了计算机模拟验证,并与光散射法及散斑对比度法进行了比较。结果表明,SAM与DSAM同理论预期的一样,能够很好地给出特征参数与均方根粗糙度的对应关系,极大地消除了现有光散射法及散斑对比度法中漫射光成分及表面相关长度对测量结果的影响。对SAM和DSAM进行了样本表面的振动测试,结果表明,SAM和DSAM对样本面的位移或振动是不敏感的。DSAM的测量结果与光散射法是相近的,因此具有用于过程中测量的潜力。通过实验进一步验证了上述结论。


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