1．引言 　　目前，采用接觸測量法的金剛石觸針輪廓儀在工程表面粗糙度測量中仍占主導地位，此類儀器具有測量可靠、操作方便、價格適中以及符合表面粗糙度國際標準的評定要求等優點。但是，金剛石觸針輪廓儀存在以下缺點：（1）尖銳的金剛石觸針在一定測量壓力下可能損傷被測工件表面，同時影響測量結果的真實性；（2）在測量過程中觸針可能損壞；（3）觸針輪廓儀的量程較小（約為±100μm），難以測量曲率較大、溝槽較深的曲面表面粗糙度。因此，對于一些軟金屬表面、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行測量。 　　為了克服接觸式測量的缺點，近年來，采用非接觸測量方式的光針掃描輪廓儀得到了迅速發展。對于工程表面形貌的測量，聚焦式光針掃描輪廓儀是較理想的測量儀器，目前已在工業生產中得到了應用。然而，這種輪廓儀也存在一定缺點：（1）對被測表面的清潔度要求較高；（2）被測表面的傾斜度對測量結果有較大影響；（3）工件材料的反射率及表面峰谷的高低程度對測量結果有較大影響。 　　由此可見，在生產中最好同時具備上述兩種儀器，以滿足對工程表面測量的需要。目前，金剛石觸針輪廓儀技術成熟，價格適中，在生產中應用廣泛；光針掃描輪廓儀已有產品面市，但價格不菲，性能尚待完善，是表面測量領域重點研究開發的對象。因此，研究開發量程較大，價格較低，同時具有接觸式與非接觸式兩種測量方式且非接觸式測量技術較為成熟的表面測量儀器具有重要意義。 　　 2．測量系統結構原理 　　表面粗糙度兩用測量系統的結構原理如圖1所示。 [align=center]圖1　測量系統結構原理框圖 [/align] 　　該儀器設計有兩個測量頭，左邊為非接觸式測量頭，右邊為接觸式測量頭。在使用接觸式測量頭時，應將非接觸式測量頭移開；在采用非接觸式測量時，則應移入非接觸式測量頭，使測量頭的觸針與音圈電機的動子接觸，這時接觸式測量頭又是非接觸式測量頭的第二級測量系統。測量系統的光學探針傳感器與金剛石觸針傳感器共用一套位置探測電路、數據采集及控制電路、掃描系統、工作臺、計算機系統及評定軟件，從而將表面粗糙度的接觸式與非接觸式測量結合在一起，并集中了兩種測量方式的優點。在同一臺儀器上可根據實際情況選用不同的測量方式，從而擴大了測量對象的范圍。 　　 3．非接觸式測量頭的設計 　　測量系統的非接觸式測量頭采用了基于聚焦探測法的光學探針傳感器。聚焦探測法是將聚焦光束作為探針，利用光電探測器測量被測表面的微觀起伏偏離顯微物鏡焦點的微小離焦量，離焦量的線性測量值就反映了被測表面形貌。利用聚焦探測法原理進行表面形貌測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。聚焦探測法的垂直分辨率可達1nm，并具有光路簡單和使用方便等優點；其不足之處是線性范圍較窄（約30μm），且光電探測器對被測表面的反射率和微觀斜率變化較為敏感。 　　本測量系統采用的動態焦點跟蹤測量法較好地克服了上述不足，其垂直測量范圍可達500μm，并具有10nm的測量分辨率，其工作原理見圖1。半導體激光二極管發出的光束經擴束、準直后變成平行光，經過偏振分光鏡BS、1／4波片和顯微物鏡L1后會聚于被測工件表面，反射光則沿原光路返回偏振分光鏡BS，但此時反射光與原入射光的線偏振方向已旋轉了90°，該光束再經過透鏡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器上產生聚焦誤差信號。當光束焦點位于被測工件表面上時，兩個反射光斑分別處于兩組光電探測器的中部，聚焦誤差信號為零；在測量工件表面形貌時，光學探針以恒定速度沿被測表面掃描，表面形貌的微觀起伏使光電探測器不斷產生聚焦誤差信號，該信號經處理和補償后用于控制音圈電機，驅動顯微物鏡作相應的調整運動，以保證顯微物鏡L1與工件表面被測點之間的相對位置保持不變，使光點始終聚焦于被測表面上。音圈電機位置的連續變化反映了被測點高度的連續變化（即被測表面形貌信息），該變化由獨立于聚焦控制系統的電感測量系統進行信號采集，這樣即可保證在測量范圍內測量信號具有較好的線性值。 　　由于在測量系統中引入了聚焦誤差反饋控制裝置，其垂直測量范圍始終處于線性區間內，因此該系統具有測量范圍大、分辨率高、掃描速度快等特點。 　　顯微物鏡L1是系統光路中的關鍵光學元件，其作用是將激光器輸出的光束會聚起來，在被測工件表面形成高質量的衍射受限光斑，并收集反射光束以便進行聚焦誤差信息的檢測。傳感器的橫向分辨率和靈敏度都與該物鏡的光學特性和成象質量有關。顯微物鏡的主要參數有數值孔徑NA、物鏡衍射光斑直徑d和焦深ΔZ。 　　根據光學衍射理論，衍射光斑直徑d＝Kλ／NA，若光斑為愛里圓斑，則強度沿徑向降低為最大值的1／2時，對應的K＝0.52，即d＝0.52λNA，焦深ΔZ＝λ／2NA2。可見，當NA值增大時，光斑直徑d減小，有利于提高測量頭的橫向及垂直分辨率，但在物鏡直徑一定的情況下，此時鏡頭更為靠近被測工件表面，不利于測量頭的調整，且系統波象差會隨NA值的增大而加大，故需對NA值進行優化選擇，本系統選用的顯微物鏡NA值為0．45，因而聚焦光斑直徑d＝0．76μm，焦深ΔZ＝0．16μm。 　　聚焦伺服系統是非接觸式測量頭的重要子系統，其定位的速度和精度直接影響表面粗糙度測量的速度和精度。聚焦伺服系統的任務是以最快的速度移動顯微物鏡，使焦點重新落在被測工件表面上。要達此目的，必須有動態性能良好的聚焦執行機構和設計合理的控制電路。聚焦伺服機構采用位置環，在設計時需要解決系統的跟隨精度和控制系統穩定性等問題。執行機構設計好后，利用良好的聚焦相位補償網絡設計可達到提高系統性能的目的。 　　 4．接觸式測量頭的設計 　　觸針測量法是應用最廣泛的表面輪廓測量方法，也是目前國際公認的二維表面粗糙度測量的標準方法。觸針測量法所用觸針一般用金剛石制成，頂部直徑約2μm，在測量過程中觸針沿工件表面滑動，表面微觀峰谷起伏使觸針沿被測表面的垂直方向上下移動，傳感器將觸針的這種垂直位移轉換為電信號，經放大后送入后續電路進行處理，即可得到被測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。 　　本測量系統采用電感式傳感器，即將觸針的垂直位移轉換為電感量的變化，經正弦波調制、放大和檢波，得到與觸針的垂直位移成正比的電壓信號。 　　本測量系統采用AD698作為電感信號測量的核心。AD698是一種單片集成的線性可變位移傳感器信號調節子系統，與傳統的由分立元件組成的電感測量電路相比，具有體積小，增益漂移、零點漂移低，信噪比高等優點，因此易于實現儀器的微型化，并可提高系統的測量精度。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．測試結果 　　分別用非接觸式測量頭和接觸式測量頭對經中國計量科學研究院檢定的多刻線樣板（Ra＝0．344μm）進行測試，所測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，兩種測量方法獲得的測量結果基本一致。 　　本測量系統未在測量傳感器上加導頭進行機械式濾波，因而可更真實地反映被測工件表面的曲面形貌。由于工作臺運動誤差、工件表面形狀及表面波度等因素會影響表面粗糙度的評定，故本系統的評定軟件選用最小二乘正交多項式作為曲面表面粗糙度評定最佳擬合的數學模型，通過數字濾波分離出表面粗糙度輪廓。經濾波后的樣板表面粗糙度輪廓曲線如圖5所示。 [align=center]圖3　非接觸法測得的樣板表面輪廓曲線 [/align][align=center]圖4　接觸法測得的樣板表面輪廓曲線 [/align]