基于空間平均靜態(tài)及動(dòng)態(tài)散斑法表面粗糙度測量技術(shù)研究.pdf

1、在許多工程領(lǐng)域中，表面粗糙度測量一直是一個(gè)重要的研究課題。表面粗糙度值是表面質(zhì)量的反映，可用來預(yù)測表面的使用性能。目前許多技術(shù)已應(yīng)用于表面粗糙度的測量之中：從最早的主觀判斷（如視覺檢查、指甲觸感）到客觀比較（如電容法、超聲法），從接觸式機(jī)械觸針儀到非接觸式光學(xué)觸針儀，從功能低的光學(xué)顯微技術(shù)再到后來革命性的掃描隧道顯微鏡（STM）及原子力顯微鏡（AFM）。但還有兩種技術(shù)——光散射技術(shù)與散斑對(duì)比度技術(shù)更應(yīng)引起注意，它們能提供對(duì)弱散射表面粗糙

2、度的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，對(duì)在線或過程中表面粗糙度測量具有很好的應(yīng)用前景。
　　本文在對(duì)各種原理的表面粗糙度測量方法進(jìn)行綜述的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前光散射法與散斑對(duì)比度法中存在的問題，提出了一種適用于弱散射體表面粗糙度測量的靜態(tài)散斑法（SAM）及動(dòng)態(tài)散斑法（DSAM）測量技術(shù)。
　　實(shí)際測量中經(jīng)常使用并且易于實(shí)現(xiàn)的是入射光斜入射粗糙面，觀察者在近場區(qū)域觀察并記錄散斑圖樣。但常用的 Beckmann理論僅給出了粗糙面衍射的遠(yuǎn)場解，并未給出近場解

3、。而菲涅耳衍射公式僅適合描述入射光正入射時(shí)兩平行平面間的衍射，若將其用于斜入射情況，則需引入幾何光學(xué)近似來計(jì)算粗糙面出射光場。為解決這一問題，本文對(duì)菲涅耳-基爾霍夫衍射基本公式進(jìn)行了重新解釋，給出描述反射型表面衍射的傾斜因子，將透射孔徑衍射模型擴(kuò)展到反射表面衍射模型，建立了入射光斜入射情況下反射型弱散射面的衍射方程。
　　光散射法測量容易受到散射光分布中的散斑效應(yīng)影響，導(dǎo)致測量結(jié)果的起伏。為避免該問題，本研究將散斑視為含有表面結(jié)構(gòu)

4、有用信息的載體，而不再視為噪聲，提出了一種基于散斑技術(shù)的測量方法。光散射法的另一個(gè)問題是所測得的光信號(hào)會(huì)受到漫散射光成分的影響，這一影響通過實(shí)驗(yàn)無法消除。本研究將鏡向光場視為鏡反射場分量與漫散射場分量的相干疊加，將鏡反射場分量視為均勻背景場，將漫散射場分量視為完全無規(guī)場，從總光強(qiáng)信號(hào)中去除了漫散射成分。
　　散斑對(duì)比度法一個(gè)很大的缺點(diǎn)是其測量結(jié)果對(duì)被測表面相關(guān)長度的變化十分敏感，這使得該方法的可靠性下降。另一個(gè)缺點(diǎn)是在工程應(yīng)用中遇

5、到的難題，因其理論建立在系綜平均概念基礎(chǔ)上，而在工程中系綜平均無法實(shí)現(xiàn)。針對(duì)這些問題，引入 Goodman關(guān)于散斑場局部遍歷特性的假設(shè)，并對(duì)整場散斑進(jìn)行空間平均，建立了基于空間平均分析的靜態(tài)散斑法（SAM）表面粗糙度測量理論的基礎(chǔ)。
　　動(dòng)態(tài)散斑多用于強(qiáng)散射體速度大小、方向的測量或振動(dòng)分析，在弱散射體表面粗糙度測量中的應(yīng)用極少見到。本研究通過對(duì)動(dòng)態(tài)散斑圖樣統(tǒng)計(jì)特性及成像過程的分析，在靜態(tài)散斑法的基礎(chǔ)上，提出一種動(dòng)態(tài)散斑法（DSAM

6、）表面粗糙度測量技術(shù)用于運(yùn)動(dòng)表面質(zhì)量檢測，建立了該方法的理論基礎(chǔ)。
　　對(duì)提出的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)散斑法（SAM和 DSAM）進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證，并與光散射法及散斑對(duì)比度法進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，SAM與 DSAM同理論預(yù)期的一樣，能夠很好地給出特征參數(shù)與均方根粗糙度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，極大地消除了現(xiàn)有光散射法及散斑對(duì)比度法中漫射光成分及表面相關(guān)長度對(duì)測量結(jié)果的影響。對(duì) SAM和 DSAM進(jìn)行了樣本表面的振動(dòng)測試，結(jié)果表明，SAM和DSAM對(duì)樣本