基于光学法测量元件三维面形结构及表面粗糙度的研究

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表面粗糙度通常作为描述表面粗糙程度的重要参数之一,它的大小间接反映了元件的质量,同时很大程度上影响和决定了元件的使用性能。尤其随着技术的发展,对仪器设备部件精密化程度和光学表面光滑程度提出了更高要求,快速准确评估元件表面粗糙程度具有重要意义。因此,更快更准的测量元件的表面粗糙度一直是研究的热点。>  本文主要包含两方面的研究内容,低散射体(σ<0.1μm,T>>λ)的散射特性及白光干涉法测量表面形貌。在探究低散射体(σ<0.1,T>>λ)的散射特性方面,首先介绍了低散射体的理论模型,该模型以基尔霍夫理论为基础,通过对基尔霍夫衍射公式的拓展合理的导出散射场方程。其次,采用随机过程与时间序列相结合的方法模拟出了均方根偏差σ=0.02μm,T=15μm,σ=0.02μm,T=30μm及σ=0.05μm,T=15μm、σ=0.05μm,T=30μm二维和三维粗糙表面,并且使用MATLAB模拟了σ=0.05μm,T=5μm、σ=0.05μm,T=15μm、σ=0.01μm,T=5μm及σ=0.01μm,T=15μm四种二维高斯分布粗糙表面形成的散射场。结果表明:  (1)表面垂直高度信息与均方根偏差?有关,随着?的增大,表面垂直高度差增加;表面水平信息与表面相干长度T有关,随着T的增大,表面趋向平滑。  (2)低散射体形成的光强分布在反射方向强度极强,其他方向较弱,表明表面越粗糙,对光的散射能力越强。  最后,采用实验方法探究低散射体(σ<0.1μm,T>>λ)的散射特性。在粗糙度与光强之间的关系方面,通过分析实验数据发现散射场的仿真结果与实验处理结果是基本相符的;在表面粗糙度Ra与散斑对比度C关系方面,结果表明Ra与散斑对比度C近似呈线性关系。  在白光干涉法实验测量表面形貌方面,主要进行了理论仿真探究和初步的实验。以LED为光源的Twyman干涉仪作为测量装置,分析了白光干涉测量原理。选取一种表面高度分布函数并采用表面生成算法,通过使用matlab编程进行了仿真。从仿真结果可以看出由算法生成的表面轮廓与实际表面高度分布基本相似,另外选取了5个相同点进行对比,结果表明:5个点的相对误差均小于0.5%;白光干涉法具有精度高,测量速度快、信息量大等优点。  综上,根据探究低散射体散射特性得出的结论,采用CCD采集散斑图像,经图像处理程序提取相关信息即可估算出粗糙程度,说明散射法非常适合在线测量且精确度要求不高。对于要求表面粗糙精确度较高时,可采用白光干涉法。
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