[发明专利]材料断口表面微观三维形貌干涉检测装置

说明书

技术领域

本发明属于材料表面检测技术领域，具体涉及一种材料断口表面微观三维形貌干涉检测装置。

背景技术

材料断口表面的微观形貌对于研究分析材料断裂的产生及扩展过程具有极其重要的价值，愈来愈受到人们高度重视。目前，较多的采用扫描电镜来获取断口微观形貌，但是基本为二维图像数据；由于断口形貌具有复杂的三维特征，而二维图像缺少纵向高度信息，因此，人们已逐渐转向采用三维方式来研究材料断口。根据文献报道，目前获取断口表面三维形貌主要采用基于图像的计算机三维重建技术、激光扫描测量技术和分层切片方法等。基于图像的计算机三维重建又分为基于单幅图像的三维重建和基于多幅图像的三维重建，其中体视学法在金属断口三维重建中较多采用，它是由断口的扫描电镜(Scanning Electron Microscope，SEM)立体对图像来恢复其三维几何形貌，该方法中图案匹配问题是最关键的难点，处理不当会造成极大的重建误差。激光扫描测量技术主要采用聚焦显微成像或激光三角法重构三维形貌，通常用于研究岩石、混凝土等材料的断口特性检测分析。分层切片法就是用金相砂纸按一定厚度分层打磨断口侧表面，每层磨削后采集轮廓图像，最后由计算机完成三维重建。显然，该方法对样品表面是有损伤的，一般适合于宏观形貌的获取。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种采用白光扫描干涉技术对材料断口表面微观形貌进行测量及三维重建，并且具有无损探伤、成本低、测程范围大、纵向精度高等优点的材料断口表面微观三维形貌干涉检测装置。

本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：

一种材料断口表面微观三维形貌干涉检测装置，包括光源系统、分束器、测量臂、参考臂和CCD部件，其特征在于，

所述光源系统，提供照射光束；

分束器，将光源系统发射的光束分成两束，一束通过测量臂照射被测样品表面，另一束通过参考臂射向参考镜；

测量臂，由显微物镜组Ⅰ和位于显微物镜组Ⅰ后部的载样机构组成，

参考臂，由显微物镜组Ⅱ和位于显微物镜组Ⅱ后部的参考镜构成；

测量臂与参考臂相互垂直共轭；

光源系统、分束器、显微物镜组Ⅰ、载样机构、显微物镜组Ⅱ、参考镜和CCD部件同轴依次设置；

光源系统发出一束光束，光束经过分束器分成两束光，其中一束光束为测量光束，测量光束通过测量臂照射在载样机构固定的样品上，并经过样品表面的反射再通过测量臂照射在CCD部件；

另一束光束为参考光束，参考光束通过参考臂照射在参考镜上，并经过参考镜表面的反射再通过参考臂照射在CCD部件；

CCD部件设置在测量光束和参考光束共同显微干涉成像的位置，将图像转为电子图像存储，所述显微物镜组Ⅱ和参考镜安装在复合微调机构上，所述复合微调机构可以调节显微物镜组Ⅱ和参考镜的空间位置；所述复合微调机构包括上微调块和下微调块，上微调块通过下滑块连接在下微调块上；调节上微调螺钉移动上滑块，并通过紧定螺钉微调上滑块的滑动方向；调节下微调螺钉移动下滑块，并通过紧定螺钉微调下滑块的滑动方向，由此调节上、下滑块的运动同轴性。上微调块通过上滑块连接参考镜座，下微调块通过下滑块连接显微物镜组Ⅱ。

为了获得更好的技术效果，所述显微物镜组Ⅱ和分束器的中间还设有补偿平晶，所述补偿平晶用来平衡测量光束和参考光束的光程差；

所述载样机构包括多维载样机构和压电陶瓷，多维载样机构包括底座、横向调整座和旋转固定筒；在多维载样机构的底座上安装有轴向微调旋钮和滑动导轨，横向调整座的底部与滑块连接，通过旋转轴向微调旋钮，控制横向调整座和旋转固定筒一起沿着滑动导轨轴向运动；横向调整座上设有垂直微调旋钮和水平微调旋钮，用于调整被测样品的高度和左右位置，以便选择待测量的样品表面区域并被测量光束照射；通过定位螺丝将样品固定在旋转固定筒上，并通过旋转旋转固定筒，可以360°调节样品的方位，这样可以根据断口样品表面形貌特征，选择合适的观测方位角。由于方位旋转带来的轴向位移可通过轴向微调旋钮补偿，保证有最佳的轴向空间干涉扫描区间，从而达到最理想的检测效果。

所述载样机构还有微驱动单元，以控制样品的前后微位移移动；所述微驱动单元包括微位移传感器、压电陶瓷(PZT)和压电陶瓷控制与驱动模块，微位移传感器监控载样机构轴向空间扫描的微位移值，压电陶瓷控制与驱动模块控制施加给压电陶瓷的电压，压电陶瓷为受压产生电压的陶瓷材料，利用其受压产生电压的逆原理，通过施加电压控制压电陶瓷的变形，以控制样品的微位移。