3.1.1无限远光学系统的改造 18

3.1.2 光源照明系统 19

3.3 白光轮廓仪各器件选型 24

3.4 白光轮廓仪软件接口设计 25

3.5 本章小结 25

4 白光轮廓仪的实验测试 27

4.1 白光轮廓仪主要性能介绍 27

4.2  白光轮廓仪主要技术指标 27

4.3 白光轮廓仪的测量实验 28

4.4 本章小结 30

结  论 31

致  谢 32

参考文献 33

1 绪论

1.1 研究背景 

1.1.1 表面微观三维形貌检测的意义

微观表面形貌也称为表面微观几何形态[1]，它是指在零件加工过程中，由于刀具与零件的摩擦、金属撕裂和加工系统中的高频振动，以及切削分离时的塑性变形等原因，在零件的被加工表面上残留的不同尺寸与形状的微观凹谷和凸峰。准确地测量和评定表面形貌，能准确地识别出加工过程中的变化和缺陷，对控制和改进加工方法、研究性能与表面几何特性的关系，以及提高产品性能与加工表面的质量都有着非常重要的意义[2-4]。

1.1.2 表面微观形貌测量技术

由于技术工平的落后,最早人们只能单纯依靠视觉和触觉来估计表面形貌,即通过目测或用手触摸试件与标准样块进行比较。这种原始的测量方法只能对表面微观不平度做出定性的综合评定。

自从1929年德国的施马尔茨(Schmaltz)发明了用光杠杆进行放大的表面轮廓记录仪后,人们就一直致力于表面质量检测技术的研究,从此开始了对表面粗糙度的数量化描述。最近一二十年，各种测量表面微观形貌的仪器纷纷问世，其测量范围小至亚纳米，达到毫米级，为工业应用和科学研究提供了先进的科学分析手段。

根据表面形貌测量方法的不同原理，表面微观形貌测量技术主要分为非光学测量方法和光学测量方法两大类[5-6]。

1) 表面微观形貌的非光学测量方法

    表面微观形貌的非光学测量方法主要包括机械探针法、扫描电子显微镜（SEM）、扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）。

①　机械探针法

机械探针法是一种接触式测量方法，具有直观可靠、操作简单、通用性强的特点，能满足一般检测的需要。

触针一般用金刚石制成，针头直径约1～10μｍ，在测量过程中针头沿工件表面滑动，工件表面的微观峰谷起伏使触针沿被测面的垂直方向上下移动，传感器将触针的这种垂直位移转换成电信号，经放大送入后续电路处理，即可得到工件表面微观轮廓信息。

探针式轮廓仪精度很高，纵向分辨率和横向分辨率可达到0.01nm和0.05μｍ。探针要在一定的压力下接触被测表面，并且探针半径一般都很小，这样被测表面单位面积上承受的接触压力很大。如果被测表面较为松软，探针往往会划伤被测表面，因此，探针法一般不宜用于测量铜、铝等软金属表面或涂有光刻胶等薄膜的表面。

②　扫描电子显微镜（SEM Scanning Electron Microscope）

扫描电子显微镜利用聚焦得非常细的电子束作为电子探针。当探针扫描被测表面时，二次电子从被测表面激发出来，二次电子的强度与被测表面形貌有关，因此利用探测器测出二次电子的强度，便可处理出被测表面的几何形貌。