基于聚焦探测法的非接触表面形貌测量仪的研究.pdf

测量与设备 基于聚焦探测法的非接触表面形貌 测量仪的研究 ， 孙艳玲1 2 谢铁邦2 （ 湖北襄樊学院机械工程系，襄樊 ； 华中科技大学机械学院仪器系，武汉 ） 1 . 441053 2 . 430074 摘 要 介绍了一种基于光驱聚焦探测技术的光触针式表面形貌测量系统。测量光束聚焦于被测表面上，当 被测表面高度变化时， 向精密位移工作台在步进电机和压电陶瓷的粗、精两级驱动下，使得工件沿垂直方向移 ! 动，让焦点始终聚焦在被测表面上，工作台的位移反映了工件表面高度的变化，该位移量由衍射光栅干涉位移传感 器测得。该系统的垂直分辨力为1nm ，垂直测量范围为2mm 左右。 关键词 聚焦探测；表面形貌测量； 向精密位移工作台；压电陶瓷；衍射光栅 ! 0 引言 测量精密、超精密加工工件的表面形貌特征参 数的仪器主要分为接触式和非接触式两大类，其中 机械接触式轮廓仪由于与工件表面直接接触，容易 划伤工件和磨损触针，不宜用在测量铜等软金属表 ［］ 面或是镀膜表面上1 。而非接触方法由于可实现 表面形貌的快速、无损检测，受到了人们的广泛重 ［］ ［］ ［］ 视，如光触针法2 3 4 、移相干涉法 、光外差法 、扫 ［］ 描探针显微技术5 等。本文介绍一种基于聚焦探 测技术的自动找焦测量方法，理论分辨力可达到 1nm ，测量范围可扩展到2mm 左右，可用来实现对 图 测量系统整体结构图 1 工件的粗糙度、形状误差和轮廓尺寸的测量。 !向工作台的移动，驱动工件作相应的调整运动，保 1 仪器的测量原理和整体结构 证物镜和工件表面被测点间的相对位置不变，使光点 如图 所示，半导体激光二极管发出的光经分 始终聚焦在被测表面上， 向工作台位置的连续变化 1 ! 光镜、／波片和物镜后汇聚到被测工件表面，反射 反映了被测点高度的连续变化即被测表面的形貌信 1 4 光沿原光路返回到分光镜上，再经过透镜和分束镜 息。这一位移量被传感器获得送到计算机，就可得到 后分成两束光，投射到两组二象限光敏二极管上产 被测点的!向坐标值，如此重复该过程，可得到一系 生聚焦误差信号，当光束焦点位于被测工件表面时， 列数据。这一测量系统和以往的利用聚焦探测技术 两个反射光斑分别处于两组光敏二极管的中部，聚 实现的轮廓仪相比，有两个优点：一是 向工作台采 ! 焦误差信号为零。在测量过程中，操作者通过控制 用两级定位，粗定位部分利用步进电机驱动斜面导轨 面板驱动 向工作台做进给，使光学探针以恒 副（ ／ 的斜率）作进给以扩大量程，斜面导轨副的 - # 1 20 定速度沿被测表面扫描，工件表面上的微观起