纳/微米弹流油膜厚度测量系统

　　随着弹性流体动力润滑(EHL)研究的深入,各国研究人员提出了不同的纳米厚度润滑油膜测量方法.采用彩色干涉图像进行数字光谱分析或色度分析来测量纳米级油膜厚度,如Johnston等[1]提出的附加垫层法、Gustafsson等[2]提出的HSI方法以及Glovnea等[3]对附加垫层方法的改进等.对于单色光干涉图像,可以通过强度分析获得油膜厚度,如雒建斌等[4~6]提出的相对光强法达到了0. 5 nm的分辨率.单色光干涉图像条纹清晰度高,可以测量的最高油膜厚度达4~5μm以上,远大于彩色干涉图像.Guo等[7]对光弹流测量系统进行了光学理论分析,提出了单色光干涉图像的多光束干涉强度分析方案.基于该方案,本文作者建立了1种新的大量程、高分辨率纳/微米弹流油膜厚度测量系统,并对该系统的构成和设计进行了分析.

　　1　测量基本原理

　　传统光弹流实验通过目测估算相长干涉(亮条纹)点和相消干涉(暗条纹)点间的油膜厚度[8].两相邻暗(或亮)条纹代表λ/2的光学厚度变化,λ为光的波长.数字图像测量技术可以得到相长干涉和相消干涉之间任一点处的干涉强度,并用于推断更小的膜厚变化.在计算膜厚变化前,需要了解干涉强度与膜厚的关系.如图1所示,典型的光弹流接触是1个4层介质系统,即玻璃、铬、润滑油和钢,分别标记为0~3.E-+0代表入射光的电向量.E--m0(m=1, 2,…)表示反射光的电向量.下标0表示介质(0代表玻璃).只有E--10直接从铬2玻璃界面反射而来,其他反射光均经历了铬2玻璃界面以下各层的反射和透射.干涉强度I可表示为:

根据式(1)及系统的光学参数即可获得干涉强度和油膜厚度的定量关系.

　　传统的光弹流理论仅考虑了E--10和E--40形成的双光束干涉,干涉强度是润滑膜厚的余弦函数[8].事实上,钢球表面的高反射率及铬与钢的光吸收特性使干涉强度随膜厚的变化偏离余弦分布[9],图2(a)的试验结果也证明了这一点.由图2(b)可见,根据双光束干涉理论重构的局部形状产生了错误的波浪形表面,用余弦关系测得B点相对A点的高度被高估了34 nm.应当指出,在测量微米级弹流膜厚时,双光束干涉原理测量的误差可以忽略.但是,当测量亚微米/纳米油膜厚度或局部微小膜厚变化时,应使用多光束干涉理论分析.

　　2　基于多光束干涉强度的油膜测量系统

　　2.1　设备配置

　　实验中弹流接触通过球2盘配置实现.白光经窄带滤波片[中心波长为600 nm,半波带宽(FWHM)10 nm]后变为准单色光,经显微镜内部的分光镜射向弹流接触区.干涉图经显微镜放大后由电荷藕合器件图像传感器(CCD)传入计算机.显微镜系统的景深为3. 5μm,视域为627μm×470μm,空间光学分辨率为0. 98μm/pixe.l玻璃盘由冕牌K9玻璃制成.铬膜厚度为22 nm,其确定方法见文献[7],Ra=4 nm.钢球直径25. 4 mm,表面粗糙度Ra=11 nm.