微观形貌测量技术的应用和发展

工程表面的许多性能是由表面形貌决定的，粗糙度、波纹度、表面结构等几何形状的测量和表征是形貌计量学的范畴之一。在现代工业制造和科学研究中，微观形貌测量技术具有精密化、集成化、智能化的发展趋势。根据测量原理的不同，表面微观形貌测量技术主要可分为接触式测量方法、光学测量方法和非光学式扫描显微镜法。随着计算能力、速度和图像、数据处理技术的不断发展，表面微观形貌的测量从传统的机械触针式测量已发展到由各种原理实现的非接触式测量。

表面微观形貌测量方法是集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术于一体的综合性交叉研究方法，涉及广泛的学科领域，它的发展需要众多相关学科的支持。在各种表面微观形貌非接触测量方法中，可以采用电场技术、微波技术、超声技术及光学技术。光学技术将传统光学计量技术与信息光学和信息处理技术相结合，目前主要有相移干涉法、激光全息法、光学散斑法、光扫描法和光触针法。

光学测量法不仅能实现高精度的快速非接触测量，而且系统结构简单，成本较低，因此在表面非接触测量领域受到人们的极大关注，并得到迅速发展。比较成熟的精密表面光学测量方法和仪器包括：基于莫尔成像术的轮廓测量方法，基于离焦误差检测原理的光学探针、外差式光学探针和基于相移干涉显微镜的光学轮廓仪。

近年来，随着计算机技术和工业生产的不断发展，基于计算机视觉技术的表面微观形貌测量方法受到越来越多的关注。该方法是指使用摄像机抓取图像，然后将该图像传送至处理单元，通过数字化处理，根据像素分布和灰度、纹理、形状、颜色等信息，选用合理的算法计算工件的粗糙度参数值。采用显微镜对检测表面进行放大，并通过对CCD 采集加工表面微观图像进行处理以实现对表面微观形貌的检测。为解决机械加工表面粗糙度的快速、在线检测，亦可用表面微观形貌图像检测方法，建立图像灰度变化信息与表面微观形貌之间的关系模型，通过数码相机拍摄的表面反射图来估计表面参数，运用修正的散射理论模型获得更好的估计结果。对基于显微视觉的不同机械加工表面参数获取的可行性进行评估，讨论照射光源与表面辐照度模型对检测的影响，尽管从视觉数据和触针数据所获得的参数存在一定差异，但是基于视觉的方法仍是一种可靠的表面形貌参数估计方法。

由此可见，根据计算机视觉技术的测量方法主要有统计分析、特征映射和神经网络等黑箱估计法。通过这些方法获得的表面形貌参数的估计值受诸多因素的影响，难以给出其准确的物理解释。真正要定量地计算出形貌参数，需要科学的计算。随着机械加工自动化水平的提高，基于计算机视觉技术的检测方法处理内容丰富、处理精度高、处理速度快、易于集成等优点将受到越来越多的重视。

表面微观形貌成像及测量技术已成为信息光学的前沿技术。现阶段的研究热点是复杂形状物体的高空间分辨率表面轮廓的测量。从三维轮廓测量的发展现状来看，可成像的物体从简单形状逐步向复杂形状发展，其成像分辨率在小视场、高光洁度物体情况下可达纳米数量级。但各种方法的应用都有一定的局限性，目前尚没有一种通用和可靠的测试方法。该领域还有许多难题有待进一步研究。因此，着重于提高测量速度和精度、实现测量自动化，是该技术今后努力的方向。

WYKO 公司总裁J.C.Wyant 曾经预言：表面形貌测试系统是10%的光学、10%的机械、20%的电子及60%的软件。(www.xing528.com)

表面形貌测量在工业产品自动检测、机械制造、电子工业、机器人视觉等领域有着重要的作用。深度分辨率为纳米级或亚纳米级的表面微观形貌的测量，在微细加工、二元光学、X 光光学、生物医学等领域均有着极大的应用价值。表面形貌既可以用来评价组件的质量，又可以用来监控制作过程、优化制作工艺，甚至可以用来模拟组件的功能、验证设计方法的有效性。

在机械制造方面，零件的表面形貌影响机械系统的磨损、疲劳和耐腐蚀性、机器的接缝刚度和传热性能，影响接口间的导电性能和密封性能。特别是当今发展较快的“摩擦学”和“润滑理论”，更是对表面微观形貌的检测提出了迫切的要求。在电子工业中，大规模集成电路芯片表面质量，影响着集成电路的性能和成品率，这些领域也离不开表面微观形貌检测的应用。此外，表面微观轮廓测试技术还在机器人视觉、实物仿形、计算机辅助设计等领域有着重要意义和广阔的应用前景。

在对国际国内表面微观形貌测试技术发展和使用现状进行的文献检索和比较分析及对当今发展动态进行深入调研的基础上，研究基于常规实验室条件、对机械振动等外界干扰不敏感的、测量精度在纳米数量级的微观表面形貌测量方法已成为当今的热点，分析并解决原有测量技术在实际系统运用中所遇到的各种局限性已成为当今的关键技术。

【注释】

[1]开氏度（K）=摄氏度（℃）+ 273.15。