基于白光干涉技术的表面微观形貌测量方法

０   引  言

      零件表面是原材料经各种机械加工工艺过程形 成的复杂表面，主要包括理论设计的形状、尺寸和实 际加工的表面粗糙度、波纹度和形状误差。 由于其 质量直接影响工作性能，因此，是评价加工工艺的重 要因素［１］ 。

     表面三维微观形貌是指工件表面不同形状和尺 寸的三维微观结构，不仅能对加工过程进行控制和 监测（是重要手段之一），而且能表征工件性能（是 影响磨损摩擦、配合等机械性能的重要因素） ［２］ ，其 测量方法主要包括接触式和非接触式。 其中，接触 式采用触针式传感器，具有稳定性、可靠性、测量动 态范围大的特点，但触针可能划伤表面，且逐点测量效率较低，无法满足超精密表面测量要求［３］ ；非接 触式采集数据密集、全面，可同时分析表面形位的尺 寸和粗糙度，具有信息直观、测量精度高的特点。 本 文通过对其非接触式的测量技术进行分析，研究了 白光干涉法的测量原理、信号处理算法、数据处理和 参数评定方法，并对典型零件表面三维微观形貌进 行测量与评价。

１   非接触测量方法

     根据零件表面三维微观形貌的测量原理，非接 触测量方法主要包括扫描显微镜法、光学干涉法、激 光散射法和共焦显微法。

１ １ 扫描显微镜法

      扫描显微镜包括电子显微镜和扫描探针显微镜，被广泛应用于纳米材料结构和化学成分的分 析［４ － ７］ 。 其横向和纵向分辨率均能达到原子量级， 但测量范围仅为几纳米至 ２００μｍ，且操作复杂，易 引入误差，对测量环境要求较高。

１.２ 光学干涉法

      光学干涉法包括最早用于表面形貌测量的干涉 显微镜法以及相移干涉、外差干涉、散斑干涉和白光 干涉等。 其中，相移干涉法属于面扫描，测量效率极 高，精度可达 １ ／ １０００ 光源波长，但在高度变化较大 的连续曲面测量中，测量范围受 λ ／ ４ （ λ 为光源波 长）的限制；外差干涉法属于点扫描，可达较高的分 辨率，但效率较低，且模耦合现象会引入测量误差， 无法实现台阶较大的测量；散斑干涉法是一种比较 测量法，范围较大，可用于 Ｒａ 在（０ ～ ３０）μｍ 以内及 小于 ０􀆰 ３μｍ 的表面测量，主要用于在线定性测量 中。 （４）白光干涉法的原理与相移干涉法相似，但 由于其采用白光作为光源，扩展了测量深度，因此， 突破了动态测量范围较小的限制。

１. ３ 激光散射法

     利用散射光的光强及其分布测量表面粗糙度， 与散斑干涉法相似，适用于 Ｒａ 在（０􀆰 ０２ ～ ０􀆰 ５） μｍ 以内的光滑表面的在线定性测量。

１.４ 共焦显微法

     属于点扫描，深度响应特性良好，抗散射光能力 强，通常对针孔的形位尺寸要求较严格，主要用于电 子半导体、医学检测及化学分析等领域.

    由此可知，白光干涉法的动态测量范围较大，测 量精度较高，可用于超精密表面的测量。

２   白光干涉测量法

     白光干涉测量法的基本原理为光的干涉测量原 理，测量精度高且速度快，且其纵向测量范围在理论 上没有限制。

２ １ 干涉测量原理

     干涉测量原理图如图 １ 所示。 光源发出的光经 分光板后会形成两束相干光（一束为入射至被测表 面的测量光；另一束为反射至参考镜的参考光），当 测量光经被测表面反射后，会与参考光发生干涉，产 生干涉条纹，且其相位信息即可反映被测表面的轮 廓信息。

２  ２ 白光干涉特性

      白光干涉测量法是通过白光发出的光束（包含 不同波长的单色光） 在满足相干性时，叠加后产生 的干涉现象，且只存在亮暗排列。 由于白光的光谱 较宽，因此，只有当两束光的光程差非常小时才能观 察到干涉条纹。 双光束白光干涉光强分布的表达 式为：

      式中：Ｉ１ 、Ｉ２———双光束的光强；Δ———光程差， 随干涉物镜位置的变化而变化；λ———单色波波长； Ｉ０———背景光强，Ｉ０ ＝ Ｉ１ ＋ Ｉ２ ；ｍ———条纹可见度，ｍ ＝ ２ Ｉ１ Ｉ２ ／ (Ｉ１ ＋ Ｉ２ )；π———相干包络项；Ｍ———相干调 制度，Ｍ ＝ ｍｖ。

      由式（１） 可知，当光程差为 ０ 时，光强最大，即 为中央条纹。 因此，需找到中央条纹位置，即可计算 被测表面的高度信息。

２   ３ 白光干涉仪工作原理

      利用白光干涉技术的典型设备为白光干涉仪， 其原理框图如图 ２ 所示。 测量时，首先根据被测件 表面信息选择物镜，并设置放大倍率，再将该被测件 放置在样品台上，使光源发出的白光穿过透镜，经后 面的分光镜和物镜照射至其表面；然后，进行调焦， 直至 ＣＣＤ 相机拍摄的干涉图片可清晰地显示在计 算机显示器上，再调节光源光强，并移动干涉显微单 元，确定扫描的上下界限；最后，进行扫描。 此外， ＣＣＤ 相机会将采集一系列干涉条纹图，根据相位解 包裹算法提取每一个像素，并计算对应的实际高度 数据，从而得到整体微观表面形貌。

２   ４ 信号处理算法［８］

          当白光干涉仪硬件结构固定时，干涉信号处理 算法会直接决定零光程差点的定位精度。 由于在表 面形貌测量中，算法需对采集的大量实测点进行计 算，因此，应考虑计算量及零级条纹识别的准确性。 白光干涉信号的算法主要包括重心法、移相法、包络 曲线拟合法和空间频域算法。 其中，包络曲线拟合 法根据不同的曲线提取算法，又分为 Ｆｏｕｒｉｅｒ 变换滤 波法、Ｈｉｌｂｅｒｔ 变换法和小波变换法。 由于在计算精 度方面，当扫描步长相同时，空间频域算法和小波变 换法的计算精度优于其他几种算法；在计算量方面， 空间频域算法需作一次快速傅里叶变换和一次最小 二乘斜率计算；Ｈｉｌｂｅｒｔ 变换法需作一次卷积计算、 一次复数求模计算和包络曲线拟合的计算，计算量 相对较小。 因此，空间频域算法较优。

2   ５ 数据处理与参数评定

     （１）数据处理。 获取零件表面测量区域的信息 后， 需对测量结果进行数据处理，从而判断是否含有 粗大误差，即：当 ｎ≥２５ 时（ ｎ 为测量次数），可利用 ３σ 准则进行判断，若含有该误差，则应剔除；反之， 则会导致标准差估值偏大，难以判断。 由于粗大误 差的出现次数会随测量次数的减少而减少，且测量 过程中不可避免地会引入一些噪声信号，因此，需通 过滤波对噪声信号进行剔除。 在测量高度方向信息 （如划痕深度、台阶等）时，可采用平滑滤波［９］ ；测量 ＭＥＭＳ 器件等不连续表面时，可利用图像分离法，将 不同高度的表面分离，从而分别评定表面形貌参数。

      （２）特征提取。 零件的表面形貌的特征参数包 括形状误差、粗糙度和波纹度。 其中，形状误差可直 接进行评定；表面粗糙度和波纹度需通过高斯滤波 分别提取信息，再进行评定。

    （  ３）参数评定。 一般情况下，采用中线制对三 维表面形貌进行参数评定。 ＩＳＯ ４２８７：１９９７ 技术规 范［１０］中的中线制评定体系共 ４２ 个参数，其中，常用 参数主要为幅度参数 Ｒａ、Ｒｚ 及间距参数Ｒｓｍ。

３    测量实例

      以美国 Ｚｏｇｙ 的 ＮＸ２ 白光干涉仪为例，垂直扫 描范围为 ２０ｍｍ，ＲＭＳ 重复性为 ０.００５ｎｍ。

３.１ 超光滑表面三维微观形貌测量

     白光干涉测量法适用于超精密表面的三维形貌 测量，可达到极高的分辨率，且对其表面无损伤，相 较于触针式轮廓法，具有显著优势。 在 ５０Ｘ 镜头 下，测量 ＳｉＣ 超光滑表面的三维微观形貌，通过分析 得到粗糙度参数，如图 ３ 所示。

３. ２ 涂层表面粗糙度测量

      利用白光干涉仪测量喷涂试件表面粗糙度，在 １０Ｘ 镜头下，拼接得到完整的涂层表面形貌，如图 ４ 所示。 由图可知，整个试件的微观形貌变化可被清 晰展示。 同时，采用空间频率算法，将原始数据去除 形状误差后，通过高通滤波，即可得到表面粗糙度。

３. ３ 划痕深度测量

      白光干涉法在测量零件表面微观形貌过程中易 获得零件表面的缺陷信息，如磨痕深度、宽度及体 积、台阶高度等。 某试件表面划痕深度测量示意图 如图 ５ 所示。 由图可知，在 ３Ｄ 表面上划剖面线可是根据指令控制夹具复位和加紧；视频采集器由高 清相机组成，是通过机器视觉模组与上位机连接，并 根据其传递的指令进行拍照，将图像上传至系统进 行处理。

３   结   论

      上所述，本文研制了一种秒表检定仪智能辅 助检定装置。 其优点主要包括：（１） 集合了上位机 管理系统、辅助控制系统及辅助执行装置，能精确控 制检定过程，并自动记录原始数据和对应图像等，可 为溯源和分析奠定基础。 （２）使检定过程中的数据 管理更为严密，确保了准确性和完整性。 （３） 作为 智能装置，消除了人工操作的不规范性，减少了检定 员的劳动强度，避免了可能产生的检定偏差和错误， 实现了秒表检定工作的标准化和质量控制的精确 化。 由此可知，该装置不仅解决了秒表检定中的自 动化和信息化难题，而且实现了从传统的人工检定 向智能化机器检定的转变，大大提升了检定效率和 准确性。 同时，为计时设备的校准检定工作提供了 一种新的、高效的解决方案，对推动计时校准技术的 发展具有一定的参考意义。