用光切显微镜测量表面粗糙度实验报告

分析测试经验介绍 (203 ~ 208)激光共聚焦显微镜测量表面粗糙度的探究廖奕鸥，冯　辉，张重远（中国科学院 金属研究所 分析测试中心，辽宁 沈阳　110016）摘要：介绍了利用激光共聚焦显微镜对不同粗糙度标准样块表面进行粗糙度测量时，各试验参数对测量结果的影响. 对于标准样块，测得的面粗糙度（S a ）符合测量要求（示值误差≤5%），最终确定合理的试验参数. 方法不但具有非接触、高分辨率、测量速度快的特点，同时可以获得被测表面的三维形貌，可以更加直观的对表面进行评价，使激光共聚焦显微镜能够更好的应用于工业材料表面轮廓分析领域.关键词：激光共聚焦显微镜；非接触；三维形貌；面粗糙度中图分类号：O65 文献标志码：B 文章编号：1006-3757（2023）02-0203-06DOI ：10.16495/j.1006-3757.2023.02.010Research on Measuring Surface Roughness with Laser Confocal MicroscopeLIAO Yiou ， FENG Hui ， ZHANG Zhongyuan（Analysis and Testing Center , Institute of Metal Research , Chinese Academy ofSciences , Shenyang 110016, China ）Abstract ：The effect of experimental parameters on the measurement results, using a laser confocal microscope for the roughness measurement on the surface of different roughness standard sample blocks, was introduced. For the standard sample block, the measured surface roughness S a met the measurement requirements (indication error ≤5%), and the reasonable experimental parameters were finally determined. The method not only has the characteristics of non -contact,high resolution and fast measurement speed, but also can obtain the three-dimensional topography of the measured surface, which can more intuitive to evaluate the surface, so that the laser confocal microscope can be applied more favorably in the field of industrial materials profile analysis.Key words ：laser confocal microscope ；non -contact ；three-dimensional topography ；surface roughness激光扫描共聚焦显微镜是近代最先进的细胞生物医学分析仪器之一[1]，其在荧光显微镜成像的基础上加装激光扫描装置，使用紫外光或可见光激光荧光探针，利用计算机进行图像处理[2]. 激光扫描共聚焦显微技术已用于细胞形态定位、立体结构重组、动态变化过程等研究，在形态学、生理学[3]、免疫学、遗传学等分子细胞生物学领域得到广泛应用[4].随着科学技术的快速发展，激光共聚焦扫描显微技术凭借它的特有优势成为一种高分辨率的显微成像技术[5]，但在工业材料领域的应用鲜有报道.工业用激光共聚焦显微镜的工作原理[6]（如图1所示）是采用点光源照射样本，在焦平面上形成一个轮廓分明的小的光点. 该点被照射后发出的反射光被物镜搜集，并沿原照射光路回送到由双色镜构成的分光器. 分光器将光直接送到探测器[7]. 光源和探测器前方都各有一个针孔，分别称为照明针孔和探测针孔. 照明针孔与探测针孔相对于物镜焦平面是共轭的，焦平面上的点同时聚焦于照明针孔和发射针孔，焦平面以外的点被挡在探测针孔之外不能成像，这样得到的共聚焦图像是标本的光学切面，避免了非焦平面上杂散光线的干扰，克服了普通显微镜图像模糊的缺点[8]，把样本分为若干光学断层，逐层扫描成像，层与层之间有较高的纵深分辨率，因此能得到整个焦平面上清晰的共聚焦图像.收稿日期：2023−03−13；　修订日期：2023−05−12.作者简介：廖奕鸥（1994−），女，本科，主要从事材料表面形貌分析工作，E-mail ：.第 29 卷第 2 期分析测试技术与仪器Volume 29 Number 22023年6月ANALYSIS AND TESTING TECHNOLOGY AND INSTRUMENTS June 2023detectorconfocal pinholelaserscannerobjective lensscanning volumefocal plane图1　激光共聚焦显微镜工作原理Fig. 1　Working principle of laser confocal microscope近几年材料表面粗糙度越来越受到重视，科研人员研究了其表面微观形貌的参数. 传统用于表征物体表面二维轮廓的粗糙程度参数R a（线粗糙度）[9]是在一定测量长度l范围内，轮廓上各点至中线距离绝对值的算数平均值. 计算公式如式（1）：其中：l为测量长度，y为各点至中线距离绝对值，x 为测量距离.而用于表征物体表面三维形貌的粗糙程度S a[10]（面粗糙度）则是基于区域形貌粗糙度的评定参数，表示相对于表面的平均面，各点高度差的绝对值的平均值. 计算公式如（2）（3）：其中：µ是平均高度参数，M为测量长度，N为测量高度，k为测量长度M上的点，l为测量高度N上的点，z为物体表面区域轮廓上点到基准面的距离. 它表示区域形貌的算数平均偏差. 利用工业激光共聚焦显微镜对材料表面信息进行采集，获得结构清晰地材料表面三维轮廓图像，通过软件对图像进行处理，可以计算出材料粗糙度（S a或R a）.随着科学技术的快速发展，金属材料表面结构的加工精度越来越高，因此对表面粗糙度测量方法的要求也随之提高. 对于一些软质材料，传统触针式测量不但可能会在测量过程中破坏试样表面结构，影响其金属表面粗糙度结果，而且无法展现材料表面的真实形貌. 现阶段测量要求对材料无损伤产生，同时可以观察材料表面的三维立体形貌，检测速度快、精度高. 非接触式测量方法在现代测量的发展过程中应运而生，成为了获取材料表面微观形貌特征的一种重要检测方法. 利用工业激光共聚焦显微镜对材料表面进行粗糙度测量则是非接触式测量方法之一，其具有测量范围广、分辨率高、速度快等特点. 同时可以获得被测表面的三维形貌图[11]，可以更加直观的对表面进行评价.本文利用激光共聚焦显微镜对6种不同粗糙度的标准样块进行粗糙度测量，讨论了试验过程中各参数[12]对测量结果的影响.1　试验部分1.1　样品试验使用6种不同粗糙度的多刻线样板（购于辽宁北方计量器材有限公司），经专业机构校准后作为待测样品，如图2所示.(a)(b)(c)(d)(e)(f)图2　6种不同粗糙度的标准样块(a) 编号120028，(b) 编号120054，(c) 编号112494，(d) 编号112454，(e) 编号110768，(f) 编号112421 Fig. 2　Surface macromorphology of six standard sampleblocks with different roughness(a) No.120028, (b) No.120054, (c) No.112494, (d) No.112445,(e) No.110768, (f) No.1124211.2　标准样块微观形貌二维曲线图利用接触式表面轮廓仪获得标准样块（编号为112454）的二维曲线图，如图3所示.1.3　仪器和测试条件德国蔡司公司生产的LSM700激光共聚焦显微镜[13]，405 nm固体激光控制器，选用5X、10X、20X、50X、100X物镜进行测试.204分析测试技术与仪器第 29 卷2　结果与讨论2.1　物镜选择将已经校准的6种不同粗糙度的标准样块作为待测样品，分别使用5X 、10X 、20X 、50X 、100X 物镜进行测量. 测量S a 结果如表1所列.由于试验选择的样品为标准样块，其粗糙度范围在0.096~3.072 µm 范围内. 考虑到不同物镜的工作距离及分辨率对应的粗糙度值测量精度有一定的范围，采用不同倍率的物镜进行单个视场扫描并测量，得到粗糙度值如表1所列. 与校准值进行比较发现，在利用激光共聚焦显微镜进行粗糙度测量时，其测量结果准确与否与物镜选择息息相关. 放大倍数越大，物镜景深则越小，需要Z 方向逐层扫描精度也就越高. 因此不同粗糙度样品应采用不同放大倍数进行测量. 针对本试验中样品类型，粗糙度在0.1~0.4 µm 的样品，由于粗糙度较小应选择较高放大倍数50X 物镜进行测量，粗糙度在0.4~3.2 µm 样品应选择放大倍数20X 物镜进行测量.2.2　扫描步长参数在已确定的物镜倍率下，为了更好的确定步进参数对测量结果的影响，分别对粗糙度较小（编号为120028、120054、112494）及粗糙度较大（编号为112454、110768、112421）的标准样块进行试验，S a 结果如表2、3所列.比较表2、3数据发现，由于标准样块形貌属于表 1 6种不同粗糙度的标准样块在不同物镜下测量S a 值Table 1　Measured S a values of six standard sample blocks with different roughness under different objective lenses/µm 物镜大小标准样块编号1200281200541124941124541107681124215X （29.3） 1.879 2.951 2.488 1.862 3.89811.22910X （30.1）0.5270.6560.864 1.783 1.924 4.09820X （30.1）0.1740.3210.5440.836 1.442 2.96850X （46.6）0.1080.2150.4220.7150.909 2.470100X （83.6）0.0620.1290.2300.3240.581 1.495校准值0.0960.2140.4400.8541.4653.072表 2 50X 物镜下3种不同粗糙度的标准样块不同步进参数下测量S a 值Table 2　Measured S a values of three standard sample blocks with different roughness using asynchronous advancingparameters under 50X objective lensNo. 120028No. 120054No. 112494步长 /µm S a/µm 扫描时间/s 步长 /µm S a/µm 扫描时间/s 步长/µm S a/µm 扫描时间/s0.1000.1103710.2000.2152450.5000.422380.0500.1087330.1000.2155200.2000.4221030.0200.111 1 7420.0500.216 1 0130.1000.4262000.0100.1252 5150.0200.2182 3980.0500.427405注：图像扫描像素为512×512，扫描范围为120 µm×120 µm表 3 20X 物镜下3种不同粗糙度的标准样块不同步进参数下测量S a 值Table 3　Measured S a values of three standard sample blocks with different roughness using asynchronous advancingparameters under 20X objective lensNo.112454No.110768No.112421步长/µm S a/µm 扫描时间/s步长/µm S a/µm 扫描时间/s 步长/µm S a/µm 扫描时间/s1.0000.82851 1.500 1.44755 3.0002. 872280.5000.836103 1.000 1.44275 1.500 2.968590.2000.8392540.500 1.440149 1.000 2.962780.1000.8415100.2001.450408″0.5002. 964212注：图像扫描像素为512×512，扫描范围为300 µm×300 µm0.51.01.52.0 2.53.03.54.0−1.01.0H e i g h t /μmLength/mm图3　标准样块（编号为112454）的二维曲线图Fig. 3　2D curve of standard sample block (No. 112454)第 2 期廖奕鸥，等：激光共聚焦显微镜测量表面粗糙度的探究205均匀台阶，且台阶较为平坦. 在固定物镜下，利用激光共聚焦显微镜进行粗糙度的测量时，扫描步长参数设置对标准样块粗糙度值影响不大. 但由于激光共聚焦显微镜的工作原理是逐层扫描成像，因此扫描步长参数设置影响着扫描速率及扫描时间. 当扫描步长参数设置越小时，扫描的层数越多，而激光共聚焦显微镜扫描的层与层之间具有较高的纵深分辨率，所以扫描时间就会越长. 因此为了综合测量结果和测量效率，测量过程中应合理选择扫描步长参数.2.3　三维形貌选择合适物镜，设定合理扫描步长参数的条件下，获得标准样块的三维形貌图如图4所示. 由图4可以看出真实的表面形貌.9.0 μm6.0 μm 3.0 μm 0 μmZ /μm1.3020406080100120120100806040200X /μmY /μm 2.0 μm1.4 μm 0.8 μm 0.4 μm 0 μmZ /μm6.002040608010012012010080604020X /μmY /μm 2.0 μm 1.4 μm 0.4 μm 0 μmZ /μm7020*********120120100806040200X /μmY /μm 25.0 μm 15.0 μm 5.0 μm 0 μmZ /μm11050100150200250300300250200150100500X /μmY /μm0 μm2.0 μm 4.0 μm 6.0 μm 8.0 μm 10.0 μm Z /μm18050100150200250300300250200150100500X /μmY /μm0 μm4.0 μm 8.0 μm 12.0 μm 16.0 μm 20.0 μm Z /μm40050100150200250300300250200150100500X /μmY/μm (a)(b)(c)(d)(e)(f)图4　6种标准样块三维形貌（a ）编号120028，（b ）编号120054，（c ）编号112494，（d ）编号112454，（e ）编号110768，（f ）编号112421Fig. 4　Three dimensional morphology of six standard sample blocks(a) No.120028, (b) No.120054, (c) No.112494, (d) No.112454, (e) No.110768, (f) No.112421206分析测试技术与仪器第 29 卷2.4　重复性在已确定的试验参数下，对编号112454的标准样块重复测试10次，结果如表4所列.由表4可以看出，标样重复测量10次的相对标准偏差（RSD ）均小于5%，重复性良好.表 4 编号112454标准样块重复性试验测量S a 值Table 4　Repeatability test measurement S a value ofstandard sample block No.112454测试次数/次S a/µm RSD/%10.836−0.11920.834−0.35830.8390.23940.836−0.11950.835−0.23960.8400.35870.8410.47880.836−0.11990.8390.239100.834−0.358平均值0.8370.000 23　结论利用激光共聚焦显微镜进行粗糙度测量时，应选择合适的放大倍数和扫描步长参数. 针对本试验中多刻度线样板样品，粗糙度在0.1~0.4 µm 的样品应选择放大倍数50X 物镜进行测量，粗糙度在0.4~3.2 µm 样品应选择放大倍数20X 物镜进行测量. 而扫描步长参数的设置影响测量时间，为了综合测量结果和效率，测量过程中应合理选择扫描步长参数. 利用激光共聚焦显微镜测量材料表面轮廓不但具有非接触、高分辨率、测量速度快的特点，并且在获得相关轮廓参数的同时可以获得被测表面的三维形貌. 本试验对于测量未知样品提供了参考依据，可以更加直观的对材料表面轮廓进行评价.参考文献：孙学俊, 闫喜中, 郝赤. 激光共聚焦扫描显微镜技术简介及其应用[J ]. 山西农业大学学报(自然科学版)，2016，36（1）：1-9, 14. 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表面粗糙度的测量目录一、表面粗糙度的检测 (2)二、表面粗糙度的测量 (3)三、参考标准 (4)四、参考文献 (5)一、表面粗糙度的检测表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。

其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在1mm以下），用肉眼是难以区别的，因此它属于微观几何形状误差。

表面粗糙度越小，则表面越光滑。

表面粗糙度的大小，对机械零件的使用性能有很大的影响，主要表现在以下几个方面：1）表面粗糙度影响零件的耐磨性。

表面越粗糙，配合表面间的有效接触面积越小，压强越大，磨损就越快。

2）表面粗糙度影响配合性质的稳定性。

对间隙配合来说，表面越粗糙，就越易磨损，使工作过程中间隙逐渐增大；对过盈配合来说，由于装配时将微观凸峰挤平，减小了实际有效过盈，降低了联结强度。

3）表面粗糙度影响零件的疲劳强度。

粗糙零件的表面存在较大的波谷，它们像尖角缺口和裂纹一样，对应力集中很敏感，从而影响零件的疲劳强度。

4）表面粗糙度影响零件的抗腐蚀性。

粗糙的表面，易使腐蚀性气体或液体通过表面的微观凹谷渗入到金属内层，造成表面腐蚀。

5）表面粗糙度影响零件的密封性。

粗糙的表面之间无法严密地贴合，气体或液体通过接触面间的缝隙渗漏。

6）表面粗糙度影响零件的接触刚度。

接触刚度是零件结合面在外力作用下，抵抗接触变形的能力。

机器的刚度在很大程度上取决于各零件之间的接触刚度。

7）影响零件的测量精度。

零件被测表面和测量工具测量面的表面粗糙度都会直接影响测量的精度，尤其是在精密测量时。

此外，表面粗糙度对零件的镀涂层、导热性和接触电阻、反射能力和辐射性能、液体和气体流动的阻力、导体表面电流的流通等都会有不同程度的影响。

表面粗糙度基本术语：取样长度：评定表面粗糙度所规定的一段基准线长度。

应与表面粗糙度的大小相适应。

规定取样长度是为了限制和减弱表面波纹度对表面粗糙测量结果的影响，一般在一个取样长度内应包含5个以上的波峰和波谷。

评定长度：为了全面、充分地反映被测表面的特性，在评定或测量表面轮廓时所必需的一段长度。

外表粗糙度的检测一、用粗糙度样块比拟粗糙度比拟法是指将被测外表与外表粗糙度样板相比拟，估计出外表粗糙度的一种检测方法。

比拟时，可用肉眼观察、手动触摸，也可借助显微镜、放大镜。

所用粗糙度样板的材料、形状及加工方法尽可能与被测外表一致。

比拟法简单易行，适用于车间使用。

缺点是评定结果的可靠性很大程度上取决于检测人员的经验，精度较差。

比拟法一般适用于外表粗糙度参数值较大的近似评定。

二、用光切显微镜测量粗糙度光切法是利用光切原理测量外表粗糙度的方法，常采用的仪器是光切显微镜〔双管显微镜〕，该仪器适宜测量车、铣、刨或其他类似加工方法所加工的零件平面或外圆外表。

光切法主要用来测量粗糙度参数R的值，其测量范围为～50µm。

如图13，显微镜有两个光管，一个为照明管，另一个为观测管，两管轴线互成90°。

在照明管中，由光源1发出的光线经过聚光镜2、光栏〔窄缝〕3及透镜4后，以一定的角度45°〕投射到被测外表上，形成窄长光带。

通过观测管〔管内装有透镜5和目镜6〕进行观察。

假设被测外表粗糙不平，光带就弯曲。

设外表微观不平度的高度为H，那么光带弯曲高度为ab=45°；而从目镜中看到的光带弯曲高度Hcos/a=45°〔式中，K为观测管的放大倍数〕。

bcos''KH/图13 双管显微镜的测量原理1—光源；2—聚光镜；3—光栏〔窄缝〕；4，5—透镜；6—目镜三、用干预显微镜测粗糙度干预法是利用光波干预原理测量外表粗糙度的方法。

常采用的仪器是干预显微镜，适宜用来测量粗糙度参数R，其测量范围为～µm。

四、用电动轮廓仪测粗糙度针描法是利用仪器的触针直接在被测外表上轻轻划过，被测外表的微观不平度将使触针作垂直方向的位移，再通过传感器将位移量转换成电量，经信号放大后送入计算机，在显示器上显示出被测外表粗糙度的评定参数值。

也可由记录器绘制出被测外表轮廓的误差图形。

按针描法原理设计制造的外表粗糙度测量仪器通常称为轮廓仪。

表面粗糙度是对工件质量进行评估的重要指标之一，对于其在使用过程中的配合质量、运动精度以及耐磨损性等都有着不容忽视的影响，因此，想要保证工件的加工质量，就必须采取有效措施，降低表面粗糙度。

表面粗糙度一般是由所采用的加工方法和其他因素所形成的，例如加工过程中刀具与零件表面间的摩擦、切屑分离时表面层金属的塑性变形以及工艺系统中的高频振动等。

由于加工方法和工件材料的不同，被加工表面留下痕迹的深浅、疏密、形状和纹理都有差别。

表面粗糙度与机械零件的配合性质、耐磨性、疲劳强度、接触刚度、振动和噪声等有密切关系，对机械产品的使用寿命和可靠性有重要影响。

一般标注采用Ra。

表面粗糙度测量方法一、接触式测量方法接触式测量方法指的是，在测量设备中的探测位置会直接与表面接触，可以帮助人们获取被测表面的信息。

但是这种测量方式不适用于刚性强度偏高、容易发生磨损的表面。

1、比较测量方法在车间普遍应用的测量方法是比较法。

比较法指的是将对比粗糙度样板与被测表面进行比较，测量人员直接用手的触摸来确定表面的粗糙度，或者通过肉眼观察，也可以使用放大镜、比较显微镜来对比。

通常情况下，当粗糙度评定参数值偏高时，可以运用比较法，但是很可能造成很大的误差。

2、印模法印模法指的是采用一些塑性材料当做块状印模，然后将其与被测表面互相贴合，再取下时，印模上会出现表面的具体轮廓，测量人员可以开始测量印模的表面，这种方式可以获取部件的表面粗糙度。

一些规模大的零件内表面测量工作无法通过设备来完成，可以使用印模法来实现。

然而印模法也存在一定缺陷，它的准确性不强，而且操作过程很复杂。

3、触针法触针法的另一种名称是针描法。

这种方法是在被测表面上放置一根很尖的触针，测量过程中需要垂直放置，使触针做横向移动。

根据被测表面的轮廓，触针会自行做垂直起伏运动。

把触针所做的位移活动利用电路转变为电信号后，可以将其方法，分析与计算后就可以获取表面粗糙度的指数。

触针法主要包括感应式、压电式以及电感式等几种方法。