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非接触测量物体表面粗糙度的研究
李胜利 徐 敏 姚 鹏 金泰义
提要：CD机中，为跟踪盘片，其伺服系统必须能检测到盘片的微小的位移。在本论文中，将CD头的工作原理应用到物体表面粗糙度的测量当中，可使测量系统小型化，使用更方便。
关键词：粗糙度 CD激光头 四象限光电二极管 乘法解调
Research on the non-contacted roughness
measurement
Li Shengli Xu Min Yao Peng Jin Taiyi
(Dept. of
Precision Machinery and Precision Instrumentation,USTC，230026)
Abstract:In a CD player,the servo system
must have the ability to measure the disc's microdisplacement in order to
track the disc.By applying the CD player's operational principle to the
surface roughness measuring,a smaller and easier-to-use instrumentation
system is achieved.
Key words:Rz,CD
player,4-PD,Multiplication demodulation
1 引言
在测量物体表面粗糙度的时候，一个重要参数是Rz，该参数只和取样长度内的十点峰和谷的高度有关，而和真实的轮廓无关，其定义为〔4〕：
ypi(i=1、2、3、4、5)分别是取样长度内轮廓线上各峰点的高度值(距理想轮廓线)，yvi(i=1、2、3、4、5)分别是取样长度内轮廓线上各谷点的高度值(距理想轮廓线)，ypi和yvi都是正值。现在常用的非接触测量Rz的方法主要有光切法、光触针法、光学干涉显微镜测量法。光切法测量分辨率低，只能适用于Rz为1.6～80μm〔5〕，测量时操作很不方便，且所得到的数据不是电量，无法数字化由计算机处理。针对这种现状，本文提出一种新的测量方法，将光盘存储器(CD机)光学系统的对焦原理应用到Rz的测量当中，以简化系统，实现数字化计算机处理，并具有友好的用户接口。
2 测量原理
2.1 CD机光学系统的对焦原理〔1〕
图1 CD光学头结构
在CD机中，当电机带动光盘高速转动时，通常存在最大振幅为±100μm的上下抖动，使光盘记录介质偏离物镜焦面，为了使激光光斑能准确的聚焦在信道表面，需要有高精度的聚焦与跟踪伺服系统。常用的对焦系统是用象散法检测聚焦误差。光学头的结构如图1所示，光学传感器为一个四象限光电探测器，其输出为四路信号，如图2a所示。盘片表面与物镜焦面之间的相对位置不同，在光敏面上所形成的光斑形状也不同，如图2b、图2c、图2d所示，将各路信号作差动放大，得到的信号和盘片介面与物镜焦面之间的相对位置成某一种特定关系。将V1、V2、V3、V4作如下的处理。
V0＝(V1+V3)-(V2+V4)
(2)
则V0同盘片表面和物镜焦面之间的距离Δ成某一函数关系：
Δ＝f(V0)
(3)
因此可以根据测得的V0，经适当的处理将之反馈给驱动机构，以调整盘片和焦面之间的相对位置。
图2 光探测器的工作原理
2.2 表面粗糙度测量原理
图3 实际测量面和光轴的相互关系
本研究利用CD机激光头上述V0和Δ之间的对应关系，及照射点直径为微米量级这一特点进行表面粗糙度测量。在粗糙度的测量中，工件表面并非象光盘盘片那样是很好的反射平面，而是成峰谷状，因此光学系统的光轴和被测面的理想面相垂直时，实际轮廓只有在峰、谷点处是沿光轴返回光电探测器的，如图3所示。因此测得的数据受下面两点因素影响：
1 被测面与光轴的垂直度；
2 焦面上光斑的大小。
其中影响最大的就是垂直度。
由于测量面和光轴不垂直，导致光斑在光敏面上的位置不处于中心，且有部分光不能返回光路，如图4所示。设物镜的焦距为f，光源到物镜的距离为L，物镜到焦面的距离为L′，像离被测面的垂直距离为D，像斑离物镜距离为L″，被测面的倾角为θ，像斑所产生的中心偏移为δ：
图4 测量面的倾斜对成像的影响
光源经物镜成的像在测面上成的虚像偏离轴线的距离δ1＝2Dsinθ，则
δ＝δ1×L″/(L′+2Dcosθ)
=2DL″sinθ/(L′+2Dcosθ)
(4)
在正常情况下，L′2Dcosθ，因此：
L′+2Dcosθ≈L′
(5)
所以：δ＝2DL″sinθ/L′
L″/L′1，因此，即使有一很小的角度θ，也可以产生一个相对于D来说很大的中心偏移δ。
光斑不在中心，则V1和V3不相等或V2和V4不相等，V0也会因光斑的偏移而改变。部分光的散失，使光斑的亮度有所减弱，使｜V1+V3｜和｜V2+V4｜的值减小，从而无法正确反映出V0＝(V1+V3)-(V2+V4)和Δ之间的函数关系。
光斑太大的话，会使在某一段采样时间内，同一个峰或谷始终处于光斑的照射范围里，从而测量面的一些细小结构无法被检测出，以致高等级的粗糙度无法测量。为了能合理采样到峰或谷的值，光斑的直径应小于所能测量的轮廓单峰平均间距S的1/4，即1.5μm，在实际的测量中，应取光斑直径1μm。
综合上述两点，可看出测量系统对光路的要求与CD光学头有所区别：景深应比较大，以适应较粗糙的测量面；在测量面上光斑直径应小于1μm，这是CD光学头所能达到的。
为了消除测量面倾斜的影响，应在测量中所使用的算法做些变化。如上所述，当测量面倾斜时，会导致两个变化：1.V1和V3不等或V2和V4不等；2.光斑亮度减小。因此可依据这两点来判断测量面是否和光轴相垂直。
按上述理论，V1＝V3且V2＝V4时为峰或谷的信号，但由于各组数据是由A/D器件离散采样所得，不能保证刚好在峰、谷处采样，所以应设定一个合理的阈值ε，只要差值小于ε，就认为是峰、谷点。另外由于总光强的减小，虽然V1和V3、V2和V4之间的相对值相差很大，但绝对值却可能相差很小，因此还要判断总光强，即V1+V2+V3+V4的值是否足够大。经过上面所述的两个判断，可以将倾斜角度较大时的数据去除，但会保留一些倾斜角度较小时的数据，这也会对测量的精度产生影响，因此在V0的计算方法也应作如下一些修改，经大量的实验发现，选用如下的计算方法：V0＝ln〔(V1+V3)/(V2+V4)〕，能很好地提高精度。
3 测量实验及数据处理3.1 实验装置
将系统分为下面几个模块：工作台；光学模块；信号处理模块；数字采集模块；中央处理模块，如图5所示。
工作台作用是夹持被测工件，并能使之沿指定方向移动。
光学模块如前所述，与CD光学头的结构相似，只是在性能参数上有所差别。
信号处理模块包括三个部分：光源调制、信号解调(包括放大)、低通滤波。光源的调制是将光源加一个正弦信号：
A(t)=A0+Amsin(ωt)
(4)
图5 实验装置框图
其中sin(ωt)是调制信号。在四分割光探测器中，四路输出信号V1′、V2′、V3′、V4′再用sin(ωt)进行乘法解调〔2，3〕。用这种方法得到的信号能有效的将各种干扰(外界光干扰、电磁噪音等)去除，得到高信噪比的信号V1、V2、V3、V4。
数据采集模块将所得的四路模拟信号转换为数字信号，由计算机进行处理。
系统的核心是中央处理模块，由它实现寻出峰、谷点，并计算出Rz的功能。寻峰、谷点的算法如下：
1.读取一组数据(V1、V2、V3、V4)；
2.判断光斑的亮度是否足够大；
V1+V2+V3+V4＞Φ?
3.不成立，则不是峰、谷，转向1；
4.判断下面的式子是否成立：
｜V1-V3｜＜ε且｜V2-V4｜＜ε；
5.不成立，则不是峰谷，转向1；
6.成立，则为峰、谷；
7.计算V0＝ln〔(V1+V3)/(V2+V4)〕；
8.根据V0算出此点的高度(距离)；
9.寻找下一峰、谷，转向1。
在实验中用的各种器件如下：二维工作台，CD光学头，PC-123N型12位AD/DA板，PC386计算机(软件自己设计)，标准粗糙度量块(样本1为粗铣样本、样本2为精铣样本)。
图6 寻峰值点算法流程
3.2 实验过程
实验的目的是为了找出V0和Δ之间的函数关系，验证理论的可行性。实验主要是分为三组：
1.利用Rz值很小的块规(工作面近似于镜面)做测距实验，工作台沿光轴的方向移动，以得到Δ和V0的关系；
2.用样本1做Rz测量的实验，工作台沿垂直于光轴方向移动，测出此样本的Rz；
3.用样本2做Rz测量的实验，工作台沿垂直于光轴方向移动，测出此样本的Rz。
3.3 数据处理
将测得的每一组数据用前述算法进行处理，得到数据曲线图，将所有的V0用实线相连，峰、谷点用虚线连接，如图7(a、b、c)所示。根据图7b和图7c所示的数据，按图7a所示Δ和V0的关系曲线，用查询表(Looking
Up
Table)法可分别得到样本1的Rz为0.35mm，样本2的Rz为7μm；由手册查得粗铣样本的Rz为＞80μm，精铣样本的Rz为20～6.3μm。
图7a Δ和V0的关系曲线
图7b 样本1的测量曲线(虚线为峰、谷的连线)
图7c 样本2的测量曲线(虚线为峰和谷的连线)
4 结论
在实验的过程中，仍有一定的误差，主要有以下几个方面对实验的结果产生较大的影响：1.电路中所选取的元件精度都不够高，以致四路信号在处理中，各路增益有一定的差异；2.实验的设备精度也不高，在实验时，由此产生的系统误差较大。在考虑到实验设备和电路的不完善的情况，可以认为上述的实验结果是可信的，实验原理是可行的。在实验的过程中还发现：被测面与光轴的夹角θ和四像限光探测器的相对两个像限输出之间的差值有一种近似于线性的关系。利用这点可做为倾角的补偿，以实现Ra的测量。有关这一点将在以后的工作中做进一步的研究。
作者简介：李胜利，1948年出生，1975年毕业于江西工学院机械工程系，1975年起在中国科学技术大学精密机械及精密仪器系工作至今。主要研究领域为利用光电技术的精密测量技术以及光电医学诊断和治疗等研究。
作者单位：中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，合肥 230026
参考文献
〔1〕 李楠，汪莹.光盘驱动器的核心部件一光学头，LSI制造与测试技术，光盘存贮技术专辑，1995，12－16
〔2〕 李胜利，宋鹏，激光测微仪测量准确度的研究.计量技术，1995，9：2－5
〔3〕 李胜利，张爱玉，宋鹏，金泰义，激光测微仪测量稳定性的研究.中国科学技术大学学报，1997,27(5)：568－572
〔4〕 中国标准出版社第三编辑室，表面粗糙度标准手册，中国标准出版社1996年7月第一版
〔5〕 王之江，陈杏蒲，陆汉民，顾培森，光学技术手册(上、下)，北京：机械工业出版社
1998年4月8日收稿
1998年7月5日收到修改稿 | 
