1．引言 　　目前，采用接觸測(cè)量法的金剛石觸針輪廓儀在工程表面粗糙度測(cè)量中仍占主導(dǎo)地位，此類儀器具有測(cè)量可靠、操作方便、價(jià)格適中以及符合表面粗糙度國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)定要求等優(yōu)點(diǎn)。但是，金剛石觸針輪廓儀存在以下缺點(diǎn)：（1）尖銳的金剛石觸針在一定測(cè)量壓力下可能損傷被測(cè)工件表面，同時(shí)影響測(cè)量結(jié)果的真實(shí)性；（2）在測(cè)量過(guò)程中觸針可能損壞；（3）觸針輪廓儀的量程較?。s為±100μm），難以測(cè)量曲率較大、溝槽較深的曲面表面粗糙度。因此，對(duì)于一些軟金屬表面、生化材料表面、橡膠表面、含信息表面以及超精加工表面等一般不宜采用觸針輪廓儀進(jìn)行測(cè)量。 　　為了克服接觸式測(cè)量的缺點(diǎn)，近年來(lái)，采用非接觸測(cè)量方式的光針掃描輪廓儀得到了迅速發(fā)展。對(duì)于工程表面形貌的測(cè)量，聚焦式光針掃描輪廓儀是較理想的測(cè)量?jī)x器，目前已在工業(yè)生產(chǎn)中得到了應(yīng)用。然而，這種輪廓儀也存在一定缺點(diǎn)：（1）對(duì)被測(cè)表面的清潔度要求較高；（2）被測(cè)表面的傾斜度對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大影響；（3）工件材料的反射率及表面峰谷的高低程度對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大影響。 　　由此可見(jiàn)，在生產(chǎn)中最好同時(shí)具備上述兩種儀器，以滿足對(duì)工程表面測(cè)量的需要。目前，金剛石觸針輪廓儀技術(shù)成熟，價(jià)格適中，在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛；光針掃描輪廓儀已有產(chǎn)品面市，但價(jià)格不菲，性能尚待完善，是表面測(cè)量領(lǐng)域重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)的對(duì)象。因此，研究開(kāi)發(fā)量程較大，價(jià)格較低，同時(shí)具有接觸式與非接觸式兩種測(cè)量方式且非接觸式測(cè)量技術(shù)較為成熟的表面測(cè)量?jī)x器具有重要意義。 　　 2．測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理 　　表面粗糙度兩用測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。 [align=center]圖1　測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖 [/align] 　　該儀器設(shè)計(jì)有兩個(gè)測(cè)量頭，左邊為非接觸式測(cè)量頭，右邊為接觸式測(cè)量頭。在使用接觸式測(cè)量頭時(shí)，應(yīng)將非接觸式測(cè)量頭移開(kāi)；在采用非接觸式測(cè)量時(shí)，則應(yīng)移入非接觸式測(cè)量頭，使測(cè)量頭的觸針與音圈電機(jī)的動(dòng)子接觸，這時(shí)接觸式測(cè)量頭又是非接觸式測(cè)量頭的第二級(jí)測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)的光學(xué)探針傳感器與金剛石觸針傳感器共用一套位置探測(cè)電路、數(shù)據(jù)采集及控制電路、掃描系統(tǒng)、工作臺(tái)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及評(píng)定軟件，從而將表面粗糙度的接觸式與非接觸式測(cè)量結(jié)合在一起，并集中了兩種測(cè)量方式的優(yōu)點(diǎn)。在同一臺(tái)儀器上可根據(jù)實(shí)際情況選用不同的測(cè)量方式，從而擴(kuò)大了測(cè)量對(duì)象的范圍。 　　 3．非接觸式測(cè)量頭的設(shè)計(jì) 　　測(cè)量系統(tǒng)的非接觸式測(cè)量頭采用了基于聚焦探測(cè)法的光學(xué)探針傳感器。聚焦探測(cè)法是將聚焦光束作為探針，利用光電探測(cè)器測(cè)量被測(cè)表面的微觀起伏偏離顯微物鏡焦點(diǎn)的微小離焦量，離焦量的線性測(cè)量值就反映了被測(cè)表面形貌。利用聚焦探測(cè)法原理進(jìn)行表面形貌測(cè)量的方法主要有傅科刀口法、臨界角法、象散法及偏心光束法等。聚焦探測(cè)法的垂直分辨率可達(dá)1nm，并具有光路簡(jiǎn)單和使用方便等優(yōu)點(diǎn)；其不足之處是線性范圍較窄（約30μm），且光電探測(cè)器對(duì)被測(cè)表面的反射率和微觀斜率變化較為敏感。 　　本測(cè)量系統(tǒng)采用的動(dòng)態(tài)焦點(diǎn)跟蹤測(cè)量法較好地克服了上述不足，其垂直測(cè)量范圍可達(dá)500μm，并具有10nm的測(cè)量分辨率，其工作原理見(jiàn)圖1。半導(dǎo)體激光二極管發(fā)出的光束經(jīng)擴(kuò)束、準(zhǔn)直后變成平行光，經(jīng)過(guò)偏振分光鏡BS、1／4波片和顯微物鏡L1后會(huì)聚于被測(cè)工件表面，反射光則沿原光路返回偏振分光鏡BS，但此時(shí)反射光與原入射光的線偏振方向已旋轉(zhuǎn)了90°，該光束再經(jīng)過(guò)透鏡L2被分束鏡L3分成兩束光，分別投射到兩組二象限光電探測(cè)器上產(chǎn)生聚焦誤差信號(hào)。當(dāng)光束焦點(diǎn)位于被測(cè)工件表面上時(shí)，兩個(gè)反射光斑分別處于兩組光電探測(cè)器的中部，聚焦誤差信號(hào)為零；在測(cè)量工件表面形貌時(shí)，光學(xué)探針以恒定速度沿被測(cè)表面掃描，表面形貌的微觀起伏使光電探測(cè)器不斷產(chǎn)生聚焦誤差信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)處理和補(bǔ)償后用于控制音圈電機(jī)，驅(qū)動(dòng)顯微物鏡作相應(yīng)的調(diào)整運(yùn)動(dòng)，以保證顯微物鏡L1與工件表面被測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置保持不變，使光點(diǎn)始終聚焦于被測(cè)表面上。音圈電機(jī)位置的連續(xù)變化反映了被測(cè)點(diǎn)高度的連續(xù)變化（即被測(cè)表面形貌信息），該變化由獨(dú)立于聚焦控制系統(tǒng)的電感測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采集，這樣即可保證在測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)量信號(hào)具有較好的線性值。 　　由于在測(cè)量系統(tǒng)中引入了聚焦誤差反饋控制裝置，其垂直測(cè)量范圍始終處于線性區(qū)間內(nèi)，因此該系統(tǒng)具有測(cè)量范圍大、分辨率高、掃描速度快等特點(diǎn)。 　　顯微物鏡L1是系統(tǒng)光路中的關(guān)鍵光學(xué)元件，其作用是將激光器輸出的光束會(huì)聚起來(lái)，在被測(cè)工件表面形成高質(zhì)量的衍射受限光斑，并收集反射光束以便進(jìn)行聚焦誤差信息的檢測(cè)。傳感器的橫向分辨率和靈敏度都與該物鏡的光學(xué)特性和成象質(zhì)量有關(guān)。顯微物鏡的主要參數(shù)有數(shù)值孔徑NA、物鏡衍射光斑直徑d和焦深ΔZ。 　　根據(jù)光學(xué)衍射理論，衍射光斑直徑d＝Kλ／NA，若光斑為愛(ài)里圓斑，則強(qiáng)度沿徑向降低為最大值的1／2時(shí)，對(duì)應(yīng)的K＝0.52，即d＝0.52λNA，焦深ΔZ＝λ／2NA2。可見(jiàn)，當(dāng)NA值增大時(shí)，光斑直徑d減小，有利于提高測(cè)量頭的橫向及垂直分辨率，但在物鏡直徑一定的情況下，此時(shí)鏡頭更為靠近被測(cè)工件表面，不利于測(cè)量頭的調(diào)整，且系統(tǒng)波象差會(huì)隨NA值的增大而加大，故需對(duì)NA值進(jìn)行優(yōu)化選擇，本系統(tǒng)選用的顯微物鏡NA值為0．45，因而聚焦光斑直徑d＝0．76μm，焦深ΔZ＝0．16μm。 　　聚焦伺服系統(tǒng)是非接觸式測(cè)量頭的重要子系統(tǒng)，其定位的速度和精度直接影響表面粗糙度測(cè)量的速度和精度。聚焦伺服系統(tǒng)的任務(wù)是以最快的速度移動(dòng)顯微物鏡，使焦點(diǎn)重新落在被測(cè)工件表面上。要達(dá)此目的，必須有動(dòng)態(tài)性能良好的聚焦執(zhí)行機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)合理的控制電路。聚焦伺服機(jī)構(gòu)采用位置環(huán)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要解決系統(tǒng)的跟隨精度和控制系統(tǒng)穩(wěn)定性等問(wèn)題。執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)好后，利用良好的聚焦相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可達(dá)到提高系統(tǒng)性能的目的。 　　 4．接觸式測(cè)量頭的設(shè)計(jì) 　　觸針測(cè)量法是應(yīng)用最廣泛的表面輪廓測(cè)量方法，也是目前國(guó)際公認(rèn)的二維表面粗糙度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)方法。觸針測(cè)量法所用觸針一般用金剛石制成，頂部直徑約2μm，在測(cè)量過(guò)程中觸針沿工件表面滑動(dòng)，表面微觀峰谷起伏使觸針沿被測(cè)表面的垂直方向上下移動(dòng)，傳感器將觸針的這種垂直位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大后送入后續(xù)電路進(jìn)行處理，即可得到被測(cè)表面的微觀輪廓信息。此類儀器按所用傳感器的類型一般可分為電感式、壓電式、干涉式及光柵式等。 　　本測(cè)量系統(tǒng)采用電感式傳感器，即將觸針的垂直位移轉(zhuǎn)換為電感量的變化，經(jīng)正弦波調(diào)制、放大和檢波，得到與觸針的垂直位移成正比的電壓信號(hào)。 　　本測(cè)量系統(tǒng)采用AD698作為電感信號(hào)測(cè)量的核心。AD698是一種單片集成的線性可變位移傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)子系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的由分立元件組成的電感測(cè)量電路相比，具有體積小，增益漂移、零點(diǎn)漂移低，信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，因此易于實(shí)現(xiàn)儀器的微型化，并可提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。AD698的外圍接口電路如圖2所示。 [align=center]圖2　AD698外圍接口電路 [/align] 5．測(cè)試結(jié)果 　　分別用非接觸式測(cè)量頭和接觸式測(cè)量頭對(duì)經(jīng)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院檢定的多刻線樣板（Ra＝0．344μm）進(jìn)行測(cè)試，所測(cè)得的表面輪廓曲線如圖3和圖4所示。從輪廓曲線可以看出，兩種測(cè)量方法獲得的測(cè)量結(jié)果基本一致。 　　本測(cè)量系統(tǒng)未在測(cè)量傳感器上加導(dǎo)頭進(jìn)行機(jī)械式濾波，因而可更真實(shí)地反映被測(cè)工件表面的曲面形貌。由于工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差、工件表面形狀及表面波度等因素會(huì)影響表面粗糙度的評(píng)定，故本系統(tǒng)的評(píng)定軟件選用最小二乘正交多項(xiàng)式作為曲面表面粗糙度評(píng)定最佳擬合的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)字濾波分離出表面粗糙度輪廓。經(jīng)濾波后的樣板表面粗糙度輪廓曲線如圖5所示。 [align=center]圖3　非接觸法測(cè)得的樣板表面輪廓曲線 [/align][align=center]圖4　接觸法測(cè)得的樣板表面輪廓曲線 [/align]