利用光学系统轴向色位移检测表面粗糙度的方法研究和系统设计

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3.0 牛悦 2024-11-19 10 4 1.76MB 48 页 15积分

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摘要

在精密仪器和制造行业，随着产品部件的不断小型化以及对材料质量严格要

求的日益增长，表面粗糙度已成为反映工件质量的重要参数。传统的触针式轮廓

仪虽然可靠稳定，但是触针往往会损害被检测物体表面，并且触针的大小和曲率

对测量数据的精度有较大的影响。利用光学方法对表面粗糙度进行检测以其非接

触、高精度、无损伤、测量速度快等特点得到了广泛应用。本文设计了利用几何

光学检测表面粗糙度的非接触式系统，克服了传统接触式测量易划伤零件表面的

缺点，并且具有简单的测量结构。

本文介绍了一种利用多色光的轴向色位移进行表面粗糙度测量的方法。该方

法基于共聚焦显微系统的基本思想，本文首先对共聚焦原理进行了介绍，并且根

据本文介绍的测量方法提出了改进。接着阐述了该方法的基本原理：一个物点对

应着许多不同波长的成像距离，当成像距离确定后，不同波长就对应不同距离的

物点，这种方法利用微观表面轮廓产生的系统物距差异来识别出何种波长的光经

被检测物体表面反射，进而测出物体表面轮廓并能给出被测表面轮廓图形。本文

在共聚焦思想的基础上设计出一个成像系统对该方法进行分析验证，着重完成对

无限远型物镜、色位移产生系统和分光光学系统等成像系统各个部分的优化设计，

根据系统的成像效果和在物方的物距工作范围估算出了本方法的检测精度能够达

到纳米级别。此外，本文在 Zemax 非序列模式下仿真不同波长光成像位置的差异，

并验证了该方法能达到检测表面粗糙度的目的，在测量表面粗糙度方面有着广阔

的应用前景。本论文根据系统后的能量损失情况，分析如何选择合适的光源功率

和镜头表面镀膜方式。

关键词：粗糙度检测轴向色位移光学设计库克三片式结构

ABSTRACT

With increasingly more stringent demand on material quality as well as the

miniaturization of product components，surface roughness is one of the parameters that

affect the work piece in the precision engineering and manufacturing industry. Although

conventional stylus profilometry is reliable and stable, the stylus often damages the

surface under test. Moreover the curvature of the stylus has a greater impact on the

accuracy of the measurement data. The optical measurement of surface roughness is

widely used now due to its high precision, non-damage, high measuring speed, etc. A

non-contact measurement of surface roughness system in this paper is designed with a

simple measurement structure by using the principle of geometrical optics, and

overcomes the shortcoming of scratching the surface of the traditional contact

measurement.

This paper introduces a new non-contact method using the principle of chromatic

focal shift to measure surface roughness. This method is based on the confocal optical

system to measure the surface roughness. Firstly, the paper introduces the confocal

principle and improves the confocal system based on this method. This paper then

describes the basic principle of this method: the same optical system has different focal

lengths for the light with different wavelengths. Accordingly, if the image distance is

established, different wavelengths of light correspond to different object distances. If the

wavelengths of the established image point can be known, the surface roughness could

be measured by this means. This paper designs an optical system to analyze and confirm

the feasibility of this method based on the confocal principle and focuses on the

optimization of afocal objective lens, chromatic focal shift generated system and

light-splitting optical system. The paper uses ZEMAX to design and analyzes the

accuracy of the new method which can achieve nanometer-level. In addition, the paper

simulates the designed system under Zemax non-sequential mode to confirm the

purpose of surface roughness measurement and analyzes the light power and the

deposition of lens surface from energy losses of the light.

Key Word：Surface Roughness Measurement, Chromatic Focal Shift,

Optical Design, Cooke Triple Anastigmat

中文摘要

ABSTRACT

第一章引言..............................................................................................................1

§1.1 课题研究背景和意义.................................................................................1

§1.2 本论文的主要内容.....................................................................................2

第二章表面粗糙度的介绍及检测现状..................................................................3

§2.1 表面粗糙度.................................................................................................3

§2.1.1 表面粗糙度的定义............................................................................3

§2.1.2 评定表面粗糙度的主要参数............................................................3

§2.2 现有技术的发展.........................................................................................4

§2.2.1 光散射法.............................................................................................4

§2.2.2 光学干涉法.........................................................................................5

§2.2.3 散斑法.................................................................................................5

§2.2.4 激光衍射投影法.................................................................................6

§2.2.5 光学探针法.........................................................................................6

§2.3 本章小结....................................................................................................6

第三章新方法原理以及系统结构介绍......................................................................7

§3.1 共聚焦系统介绍.........................................................................................7

§3.2 方法提出的背景.........................................................................................8

§3.3 系统结构及工作原理.................................................................................9

§3.4 本章小结..................................................................................................10

第四章系统结构的设计............................................................................................11

§4.1 无限远型消色差物镜...............................................................................11

§4.1.1 无限远型物镜初始结构计算...........................................................11

§4.1.2 消色差原理分析...............................................................................12

§4.1.3 系统结构的优化设计.......................................................................13

§4.2 色位移产生系统.......................................................................................15

§4.2.1 双胶合结构色位移产生系统的设计...............................................15

§4.2.2 三组四片式色位移产生系统的设计...............................................17

§4.3 狭缝的设计...............................................................................................22

§4.4 分光光学系统...........................................................................................23

§4.4.1 色散元件的选择...............................................................................24

§4.4.2 准直镜和成像镜的设计...................................................................26

§4.5 本章小结...................................................................................................33

第五章检测系统精度分析与成像结果仿真............................................................34

§5.1 系统精度分析...........................................................................................34

§5.2 成像结果仿真...........................................................................................34

§5.2.1 镜头组的转换...................................................................................35

§5.2.2 光源模型的建立...............................................................................36

§5.2.3 狭缝模型的建立...............................................................................37

§5.2.4 探测器模型的建立...........................................................................37

§5.2.4 系统的仿真.......................................................................................37

§5.3 本章小结...................................................................................................40

第六章总结与展望....................................................................................................41

参考文献......................................................................................................................43

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果..........................................45

致谢..............................................................................................................................46

第一章引言

§1.1课题研究背景和意义

在精密仪器和制造行业，随着产品部件的不断小型化以及对材料质量严格要

求的日益增长，表面粗糙度已成为反映工件质量的重要参数[1]，这也对表面粗糙度

测量技术的精确性提出了更高的要求。比如在半导体晶圆加工业，表面粗糙度是

作为监控半导体晶圆的重要参数之一。对表面粗糙度的检查测量等一系列环节无

不需要观测手段的辅助。但是在很早以前由于技术工艺水平的落后，最早只能单

纯依靠人的视觉和触觉来估计[2]，随着生产技术的发展，人们又采用了比较显微镜

进行对比测量，但是这些比较原始的测量方法只能对表面微观不平度作出定性的

综合评定。

传统的表面粗糙度测量的方法一般是接触式的，主要有比较法、印模法、触

针法等。其中最具代表性的产品便是触针式轮廓仪，像Talysurf系列和Nanosurf

等系列轮廓仪[3]。在测量过程中，机械触针沿着被检测物体的表面移动来获取表面

数据。虽然接触式测量方法能够做到装置的探测部分直接接触被测表面，能够直

观地反映被测表面的概貌。但是触针往往会损害被检测物体表面，而且是逐点测

量浪费时间。此外触针的大小和曲率对测量数据的精度有较大的影响，只有当触

针的尖端圆半径趋向于极限零时，触针的微小运动才能最正确地反映被测表面的

实际轮廓曲线。所以触针法不但不能保证更高的测量精度，也可能具有破坏性，

不适用于轻金属、塑料以及超精加工表面等那些易磨损、刚性强度较高的表面。

所以近年来，国内外对具有快速、非破坏性、可在线测量特征的非接触式检测技

术的研究日益关注。非接触式检测技术主要依靠光学、电磁波和图像处理等技术

手段实现，分为非光学方法和光学方法。特别是光学测量方法鉴于其高精度、无

损伤、测量速度快的特点，已成为研究的主要方向。常用的方法有[4]：光切法、实

时全息法、散射法、干涉法、散斑法、激光衍射投影法等等。随着工业的发展，

非接触式无损光学检测方法正逐渐成为粗糙度检测技术未来发展的主要方向。

本文提出一种利用多色光的色焦点偏移进行表面粗糙度测量的新方法。本课

题来自于企业单位的委托项目，目的在于设计出一个光学系统来分析研究该方法

的可行性。本次课题的意义在于：

光学材料对于不同波长的光有不同的折射率，相应的，不同波长的光对于同

一光学系统焦距不一样，那么同一孔径的光经过光学系统后的成像位置也不一样，

在成像系统中，把这种位置差异称为色差。光学成像系统的轴向色差会严重影响

光学系统的成像质量，一般会对其校正。而这种像方的成像差异在像距确定的情

况下，可以使得系统在物方的物点位置存在差异。本课题正是利用这种各个波长

的光线在物方的物点差异（本文称为轴向色位移）来检测物体表面粗测度的。

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摘要：

摘要在精密仪器和制造行业，随着产品部件的不断小型化以及对材料质量严格要求的日益增长，表面粗糙度已成为反映工件质量的重要参数。传统的触针式轮廓仪虽然可靠稳定，但是触针往往会损害被检测物体表面，并且触针的大小和曲率对测量数据的精度有较大的影响。利用光学方法对表面粗糙度进行检测以其非接触、高精度、无损伤、测量速度快等特点得到了广泛应用。本文设计了利用几何光学检测表面粗糙度的非接触式系统，克服了传统接触式测量易划伤零件表面的缺点，并且具有简单的测量结构。本文介绍了一种利用多色光的轴向色位移进行表面粗糙度测量的方法。该方法基于共聚焦显微系统的基本思想，本文首先对共聚焦原理进行了介绍，并且根据本文介绍的测...

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