工件的表面粗糙度是評定工件表面質(zhì)量的一個重要指標，它是決定工件性能和質(zhì)量的重要參數(shù)?？茖W技術的日新月異，加工精度的不斷提高，新技術、 新材料、新工藝的出現(xiàn)對工件表面粗糙度的檢測提出了越來越高的要求。同時摩擦與磨損過程的研究、工藝過程的分析、面接觸狀態(tài)的探討等，都要求對表面微觀幾何形狀給出定量的描述。傳統(tǒng)的接觸式測量方法容易劃傷工件表面，測量速度低，而且受測針半徑限制影響其測量范圍，不適合在線檢測。

而采用光學非接觸的測量方法可以彌補觸針式測量儀器的不足，常見的光學測量方法有光散射法、光學散斑法、聚焦法、干涉測量法等。光學法測量表面粗糙度以被測表面的光學效應為基礎，光源發(fā)射的光波通過光學系統(tǒng)平行或發(fā)散或會聚入射到被測件表面，被測件表面的反射光波反映了被測件的表面形狀，反射光波的光學信息由各種類型的光電傳感器和后處理電路予以接收、轉(zhuǎn)換、運算、顯示、記錄等。本文采用基于激光散射原理的表面粗糙度測量方法，可實現(xiàn)對高精度零件表面粗糙度的無損檢測和非接觸在線快速檢測，具有較高的經(jīng)濟價值。

1.1光在粗糙表面的散射現(xiàn)象

當一束光以一定的角度入射到粗糙物體表面時，根據(jù)光的幾何原理，光線會被物體散射和反射， 散射光和反射光的強弱與物體的表面粗糙程度有關。反射光集中在一個很小的面積上，形成一個光斑；散射光分布在反射光斑的周圍，形成由許多光點組成的光帶。若物體表面比較光滑，反射光斑的光能比較強，散射光帶比較窄；反之，若物體表面比較粗糙，反射光斑的光能比較弱，散射光帶則比較寬。這一現(xiàn)象定性地說明了散射光能的強弱和物體表面的粗糙程度有關。本文通過研究散射光的光能分布定量地得到物體表面粗糙度的信息。

1.2表面粗糙度特征值 Sn

理論和實踐都證明，散射光分布曲線的形狀與表面粗糙度有關。以光散射理論為基礎，利用光散射特征值法測量表面粗糙度。其原理是由于物體表面不是理想的光滑表面，所以當一束光照射到物體表面上時，除一部分光被反射外，另一部分光被散射， 形成一束離散光。研究表明，由被測物體表面反射、散射的離散光的強度呈高斯分布，其概率分布函數(shù)

式中,φ為散射角，I(φ)為散射角所對應的散射光強度。分布曲線的方差 S 為

式中，φ 為平均值

在實際測量系統(tǒng)中，是用 PMT接收散射光信號。由于測量孔徑的限制，實際測量系統(tǒng)不可能也沒必要接收整個空間（-Π/2，Π/2）的散射光，同時光電接收器陣列的各光敏單元也是離散的。這時 S 值應該用離散的散射光特征值 Sn 來表示

Sn 用于描述被測表面的散射光分布情況，稱為 “光散射特征值”，可作為光散射法測量表面粗糙度 Ra 的數(shù)學模型。用已知表面粗糙度參數(shù)的試件作為 表面粗糙度標準樣塊，測得對應的 Sn 值，即可建立 光散射特征值和表面粗糙度（Sn- Ra）關系曲線，從 而實現(xiàn)利用光散射特征值法測量工件表面粗糙度。

1.3散射測量系統(tǒng)介紹

德國IOF散射儀整個測量系統(tǒng)由光源（紫外到紅外可選）、光學測量系統(tǒng)、探測器系統(tǒng)和計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。半導體激光器發(fā)出的光束經(jīng)過準直聚焦后照射到被測工件表面，光束會發(fā)生反射和散射，用PMT接收工件表面的散射光，計算機采集數(shù)據(jù)并計算出光散射特征值 Sn，再換算成所需要的表面粗糙度評定參數(shù)，通過顯示儀器顯示出表面粗糙度參數(shù) Ra。

該光路結(jié)構(gòu)簡單，容易調(diào)整，能輕易地調(diào)整入射光束的入射角度，在光路中加入擴束鏡還可以方便地調(diào)整照在工件上的光斑。MLS5可以測量樣品反射光，透射光，以及散射光分布的測量系統(tǒng)。其特點是對角度的靈敏度高，并且該系統(tǒng)可以測量三維空間中的散射分布。