光学表面测量中的误差分析与检测技术研究 .pdf

光学表面测量中的误差分析与检测技术研究

表面形貌是材料科学、信息技术、制造工程等领域的重要参数之一。它不仅直

接影响产品的性能与质量，也会给生产过程带来各种问题。因此，对表面形貌的精

确测量显得尤为重要。光学表面测量技术以其非破坏性、快速、高精度和可实时观

测的特点备受瞩目，尤其在微纳米尺度下商业化已相当成功。但是，它在测量上容

易受到各种误差影响，如环境条件、仪器、样品、信号处理和操作人员等因素。因

此，光学表面测量中的误差分析与检测技术研究具有极大的研究价值。本文着重探

讨光学表面测量误差的来源、常见检测技术及优化方法。

一、误差来源

光学表面测量中有很多误差来源，其主要有以下几个方面：

1、环境条件误差：如光源稳定性、温度和湿度变化等，对于高精度光学表面

测量来说，应保证较为稳定的环境条件。

2、操作人员误差：如手动调整、不稳定的手操作、记录错误等，应通过人工

操作规范来减少这些误差。

3、样品误差：如在测定的样品表面上存在缺陷、氧化、磨痕等，使表面形貌

不是完全光滑无缺陷的理论曲面，从而导致表面形貌异常。

4、仪器误差：如仪器对光线的透射比例、光学元件、光源等的质量等，直接

影响到测量器的工作性能。

5、滤波器误差：在信号处理时，由于噪声、金属表面反射和样品表面光散射

等原因，滤波器容易引入失真和干扰，造成测量误差。

二、常见检测技术

针对光学表面测量中存在的误差，常见检测技术有以下几种：

1、信号处理技术：应用数学滤波等理论方法，从信号处理的角度上优化数据

的质量，去除数据中的噪声和杂波，从而提高数据的精度和质量。

2、影响系数法：影响系数法通过在灵敏区域上插值和映射，来修复表面缺陷。

通过这种修补码来处理仪器误差、缺陷表面记录误差等误差，使光学表面测量数据

更加可靠。

3、微小位移传感器技术：基于微小位移传感器技术，可以建立高精度、低成

本的表面形貌检测系统。其中，微小位移传感器的性能是关键。

4、电容传感器检测技术：采用时域反射技术，利用光纤和电容传感器实现对

表面形态的扫描。

5、惠氏检测器技术：借助振荡的斯托克斯惠氏诊断原理来检测样品表面的粗

糙度波动。惠斯约极小值位置精度可达10nm量级，使之成为光学表面测量的重要

工具。

三、误差优化方法

光学表面测量的误差主要集中在信噪比、响应速度、精度和解析度等方面。针

对这些误差，可以采用以下优化方法：

1、光学系统优化：通过优化光学元件，提高器件自身的性能，从而减少误差。

2、环境控制：应注意光学表面测量仪器的环境条件，确保测量温度、湿度、

紫外线等的稳定性。

3、信号预处理：预处理主要是指对光学表面测量信号进行噪声滤波等处理。

用以提高精度，减少误差。

4、样品准备：将样品充分清洁、处理来减少缺陷，增加平滑度，从而减少样

品误差。

5、仪器校准：根据测试精度进行系统标记，通过标定和校准可以有效抵消测

量器的测量误差。

综上所述，光学表面测量技术具有快速、高精度、非破坏性的优点，是得到广

泛应用的技术。然而，在光学表面测量过程中，误差是无法避免的，如何识别、控

制和优化误差，是研究者需要解决和完善的问题。正如通过对误差来源的研究，经

过合适的检测技术和优化方法的应用，进一步提高光学表面测量技术在材料科学、

信息技术、制造工程等领域的应用价值，发挥出其重要作用。