本發(fā)明涉及影像測量領(lǐng)域，具體涉及一種圓孔內(nèi)徑的精密測量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

圓孔是很多零件上的重要特征，圓孔的加工質(zhì)量影響著零件的功能能否正常實(shí)現(xiàn)，在機(jī)械精密加工、航天航空、汽車制造等國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)中，軸孔直徑的高精度測量都是其關(guān)鍵技術(shù)問題，對軸孔直徑尺寸的控制將直接影響儀器或加工件的裝配質(zhì)量甚至性能。

近年來，軸孔直徑精密測量技術(shù)越來越引起世界各國計(jì)量測試部門的重視，而高精度孔徑測量更是幾何測量的難點(diǎn)。目前，對圓孔幾何參數(shù)的測量方法主要分為接觸式測量和非接觸式測量兩種方式，其中：

接觸式測量是采用卡尺、內(nèi)徑千分尺、量規(guī)等測量工具進(jìn)行直接測量，其缺點(diǎn)是測量受到測量儀器或孔的尺寸限制，有時(shí)甚至無法測量微小圓孔和大尺寸圓孔；

非接觸式測量與接觸式測量相比存在測量范圍更廣、不受被測物件物理位置及孔徑尺寸限制等優(yōu)點(diǎn)，包括萬能工具顯微鏡、影像測量和X射線等方式；其中，萬能工具顯微鏡和X射線兩種方式存在研發(fā)及測量成本高、研發(fā)周期長等；而影像測量方式作為一種非接觸式測量，與其它非接觸式測量方式相比具有操作簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，且不損傷所測孔徑的表面、測量效率高，但是，由于光學(xué)成像系統(tǒng)分辨率的限制，目前影像測量技術(shù)的測量精度只能達(dá)到0.1mm，不能達(dá)到一些高精度測量的要求，使其應(yīng)用推廣范圍受到限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有圓孔測量方案中的影像測量方式受光學(xué)成像系統(tǒng)分辨率的限制，存在測量精度低的問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種圓孔內(nèi)徑的精密測量系統(tǒng)，包括光照明光學(xué)裝置、載物臺、成像光學(xué)裝置；所述照明光學(xué)裝置包括光纖光源和第一顯微物鏡，所述成像光學(xué)裝置包括第二顯微物鏡、成像透鏡和面陣相機(jī)；

所述光纖光源發(fā)出的光通過所述第一顯微物鏡會聚，使該光穿過所述載物臺，并會聚在所述成像光學(xué)裝置的光軸上，形成聚焦點(diǎn)，再經(jīng)過所述第二顯微物鏡平行射入所述成像透鏡，匯聚于一點(diǎn)進(jìn)入所述面陣相機(jī)；

移動所述載物臺，當(dāng)通過所述面陣相機(jī)分別觀察到相互對稱的半圓形焦斑形狀時(shí)，聚焦點(diǎn)位置分別處于待測工件的圓孔內(nèi)徑相對的兩個(gè)端點(diǎn)上，分別記錄下兩次焦斑形狀呈半圓圖像時(shí)所述載物臺的坐標(biāo)，兩個(gè)坐標(biāo)差的絕對值為待測工件的圓孔內(nèi)徑值。

在上述系統(tǒng)中，所述光纖光源包括光源和光纖，所述光源發(fā)的光通過所述光纖形成光束，發(fā)送到所述第一顯微物鏡進(jìn)行會聚。

在上述系統(tǒng)中，還包括反射鏡；

所述光纖光源發(fā)出的光通過所述第一顯微物鏡會聚；所述反射鏡反射會聚的光，使該光穿過所述載物臺，并會聚在所述成像光學(xué)裝置的光軸上一點(diǎn)。

在上述系統(tǒng)中，所述載物臺為三維精密載物臺；

三維精密載物臺的X軸和Y軸所在平面與待測工件的圓孔截面平行，X軸坐標(biāo)、Y軸坐標(biāo)用來確定待測工件的圓孔內(nèi)徑大??；

三維精密載物臺的Z軸平行于待測工件的中心軸，Z軸的坐標(biāo)用來確定待測工件圓孔內(nèi)徑的深度位置信息。

在上述系統(tǒng)中，所述三維精密載物臺由步進(jìn)電機(jī)控制在X、Y、Z軸方向移動。

在上述系統(tǒng)中，

通過步進(jìn)電機(jī)在X軸方向和Y軸方向上調(diào)整三維精密載物臺：

第一次通過步進(jìn)電機(jī)在X軸方向和Y軸方向上調(diào)整三維精密載物臺，相機(jī)上出現(xiàn)的焦斑形狀為半圓形，記錄此時(shí)三維精密載物臺坐標(biāo)位置；進(jìn)一步在X軸方向和Y軸方向上調(diào)整三維精密載物臺，使會聚焦點(diǎn)位于直徑的另一個(gè)端點(diǎn)上，相機(jī)上出現(xiàn)的焦斑形狀為半圓形，且與第一次調(diào)整得到的半圓形狀相反，記錄此時(shí)的坐標(biāo)位置；前后兩次位置之差的絕對值即為測量的圓孔內(nèi)徑；

通過步進(jìn)電機(jī)在Z方向調(diào)整三維精密載物臺：

通過步進(jìn)電機(jī)沿Z軸方向多次調(diào)整三維精密載物臺，聚焦點(diǎn)在待測工件圓孔內(nèi)壁上位置沿著調(diào)整方向上升或下降，每次調(diào)整后，保持三維精密載物臺在Z軸方向不變，調(diào)整X軸方向和Y軸方向，獲得在該深度時(shí)的圓孔內(nèi)徑，最終得到孔徑沿深度方向的分布變化。

在上述系統(tǒng)中，所述步進(jìn)電機(jī)的移動精度為0.050μm。

在上述系統(tǒng)中，所述測試系統(tǒng)的測量精度還取決于第一顯微物鏡和第二顯微物鏡的倍率，第一顯微物鏡和第二顯微物鏡的倍率越大，測量精度越高。

本發(fā)明還提供了一種圓孔內(nèi)徑的精密測量方法，包括以下步驟：

步驟S10、調(diào)整第一顯微物鏡與成像光學(xué)系統(tǒng)的第二顯微物鏡之間的距離，使其共光軸、共聚焦點(diǎn)；

步驟S20、將待測工件放在載物臺上，調(diào)整載物臺，使光聚焦點(diǎn)處于待測工件圓孔的內(nèi)部，使用面陣相機(jī)觀察焦斑形狀；

步驟S30、在X軸方向和Y軸方向上兩次調(diào)整載物臺，獲得關(guān)于X軸或Y軸對稱的兩個(gè)半圓形狀焦斑形狀圖像，分別記錄每次焦斑形狀呈半圓圖像時(shí)載物臺的坐標(biāo)，兩處坐標(biāo)差的絕對值為在該深度的圓孔內(nèi)徑值；

步驟S40、沿Z軸的同一方向多次調(diào)整載物臺，執(zhí)行步驟S30，得到不同深度的圓孔內(nèi)徑值，獲得該待測工件圓孔內(nèi)徑沿深度方向的分布變化。

本發(fā)明提供了一種非接觸式測量方式的顯微聚焦測量技術(shù)，在焦點(diǎn)的顯微成像圖像形狀的基礎(chǔ)上，利用光學(xué)系統(tǒng)的幾何成像規(guī)律，不僅實(shí)現(xiàn)被測工件的圓孔內(nèi)徑的測量，而且還可以測量孔徑處在不同深度的直徑，得到孔徑沿深度方向的分布變化；同時(shí)通過選擇高精度的步進(jìn)電機(jī)和高倍顯微物鏡，做到精確識別孔徑內(nèi)壁的位置信息，保證高測量精度，自動化程度高，測量操作簡便，成本較低，易于普及推廣。

附圖說明

圖1為光學(xué)系統(tǒng)共焦點(diǎn)聚焦的示意圖；

圖2為本發(fā)明提供的一種圓孔內(nèi)徑的精密測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中當(dāng)聚焦點(diǎn)位置處于待測工件的圓孔內(nèi)徑一端點(diǎn)上時(shí)焦斑形狀呈半圓形的示意圖；

圖4為本發(fā)明中當(dāng)聚焦點(diǎn)位置處于待測工件的圓孔內(nèi)徑中時(shí)焦斑形狀呈圓形的示意圖；

圖5為本發(fā)明中當(dāng)聚焦點(diǎn)位置處于待測工件的圓孔內(nèi)徑與圖3相對的另一端點(diǎn)上時(shí)焦斑形狀呈半圓形的示意圖；

圖6為本發(fā)明中顯微物鏡的倍率為10倍時(shí)的焦斑圖像；

圖7為本發(fā)明中顯微物鏡的倍率大于10倍時(shí)的焦斑圖像；

圖8為本發(fā)明提供的一種圓孔內(nèi)徑的精密測量方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做出詳細(xì)的說明。

本發(fā)明提出的顯微聚焦測量技術(shù)是基于焦點(diǎn)的顯微成像圖像形狀(焦斑形狀)，并利用光學(xué)系統(tǒng)的幾何成像規(guī)律來測量被測工件的圓孔內(nèi)徑，不僅實(shí)現(xiàn)高精度(測量精度最高可以達(dá)到0.05μm)的圓孔直徑測量，而且通過上、下移動待測工件的位置，還可以精確測量圓孔直徑隨深度變化的分布變化。其實(shí)現(xiàn)原理如下：

圖1為光學(xué)系統(tǒng)共焦點(diǎn)聚焦的示意圖，其中，照明光學(xué)裝置的第一顯微物鏡3將光纖光源發(fā)出的光會聚于主光軸的一點(diǎn)(聚焦點(diǎn))上，當(dāng)該點(diǎn)處于成像光學(xué)裝置前端的第二顯微物鏡7的焦平面71上時(shí)，在面陣相機(jī)9的二維傳感面上將觀察到清晰的呈圓形形狀聚焦點(diǎn)的圖像，該圖像稱為焦斑形狀。待測工件6沿水平方向靠近聚焦點(diǎn)位置時(shí)，焦斑形狀會發(fā)生變形，當(dāng)待測工件6和成像光學(xué)裝置的光軸72部分重合時(shí)，焦斑形狀呈部分圓形形狀；當(dāng)待測工件6剛好和成像光學(xué)裝置的光軸72重合時(shí)，焦斑形狀呈規(guī)則半圓形狀，所以可以根據(jù)焦斑形狀，確定待測工件6是否和光軸72完全重合。

這樣，在測量圓孔內(nèi)徑時(shí)，調(diào)整放置待測工件6的工作臺位置，使得成像光學(xué)裝置的聚焦點(diǎn)位置處于待測工件6的圓孔內(nèi)部，當(dāng)聚焦點(diǎn)不在圓孔內(nèi)壁上時(shí)，在面陣相機(jī)9的二維傳感面上觀察到的焦斑形狀是一個(gè)完整的圓形形狀焦斑；當(dāng)聚焦點(diǎn)恰好處于圓孔內(nèi)壁上任意位置時(shí)，在面陣相機(jī)9的二維傳感面上觀察到的焦斑形狀為半圓形；所以當(dāng)聚焦點(diǎn)位置分別處于圓孔內(nèi)徑相對的兩個(gè)端點(diǎn)上時(shí)，將形成兩個(gè)完全對稱、相反的半圓。

如圖2所示，本發(fā)明提供的一種圓孔內(nèi)徑的精密測量系統(tǒng)，包括照明光學(xué)裝置、載物臺5、成像光學(xué)裝置，其中，照明光學(xué)裝置包括光纖光源、第一顯微物鏡3，成像光學(xué)裝置包括第二顯微物鏡7、成像透鏡8和CCD相機(jī)(面陣相機(jī))9。

光纖光源發(fā)出的光通過第一顯微物鏡3會聚，使該光穿過載物臺5，并會聚在成像光學(xué)裝置的光軸上一點(diǎn)，該點(diǎn)為測試系統(tǒng)聚焦點(diǎn)，再經(jīng)過第二顯微物鏡7平行射入成像透鏡8，匯聚于一點(diǎn)，進(jìn)入面陣相機(jī)9；

移動載物臺5，當(dāng)通過面陣相機(jī)9分別觀察到相互對稱的半圓形焦斑形狀時(shí)，聚焦點(diǎn)位置分別處于待測工件6的圓孔內(nèi)徑相對的兩個(gè)端點(diǎn)上，分別記錄下兩次焦斑形狀呈半圓圖像時(shí)的載物臺5的坐標(biāo)，兩個(gè)坐標(biāo)差的絕對值為待測工件6的圓孔內(nèi)徑值。

在本發(fā)明中，光纖光源包括光源1和光纖2，光源1發(fā)的光通過光纖2形成光束，發(fā)送到第一顯微物鏡3進(jìn)行匯聚。

在本發(fā)明中，還包括反射鏡4，光纖光源發(fā)出的光通過第一顯微物鏡3會聚，反射鏡4反射會聚的光，使該光穿過載物臺5，并會聚在成像光學(xué)系統(tǒng)的光軸上一點(diǎn)，該點(diǎn)為測試系統(tǒng)聚焦點(diǎn)；調(diào)整反射鏡4可以保證通過第一顯微物鏡3匯聚的光的聚焦點(diǎn)在成像光學(xué)裝置的光軸上，不受照明光學(xué)裝置與成像光學(xué)裝置間位置關(guān)系的限制，應(yīng)用、移植更為靈活。

本發(fā)明載物臺5采用三維精密載物臺，三維精密載物臺由步進(jìn)電機(jī)來控制在X軸、Y軸、Z軸方向的移動，其中，X軸和Y軸所在平面與待測工件6的圓孔截面平行，X軸坐標(biāo)和Y軸坐標(biāo)用來確定待測工件6的圓孔內(nèi)徑大??；Z軸平行于待測工件6的中心軸，Z軸的坐標(biāo)用來確定待測工件6圓孔內(nèi)徑的深度位置信息。

在X軸方向和Y軸方向上調(diào)整三維精密載物臺：

第一次通過步進(jìn)電機(jī)在X軸方向和Y軸方向上調(diào)整三維精密載物臺，相機(jī)上出現(xiàn)的焦斑形狀為半圓形，如圖3(圖5)所示，也可以是沿X軸的半圓；記錄坐標(biāo)位置(X1，Y1)；進(jìn)一步在X方向和Y方向上調(diào)整三維精密載物臺，使會聚焦點(diǎn)位于直徑的另一個(gè)端點(diǎn)上，相機(jī)上出現(xiàn)的焦斑形狀為半圓形，且與第一次調(diào)整得到的半圓形狀相反，如圖5(3)所示，記錄此時(shí)的坐標(biāo)位置(X2，Y2),三維精密載物臺前后兩次位置之差的絕對值即為測量的圓孔內(nèi)徑。

在Z軸方向調(diào)整三維精密載物臺：

通過步進(jìn)電機(jī)在Z軸方向上調(diào)整三維精密載物臺，聚焦點(diǎn)在待測工件6圓孔內(nèi)壁上位置沿著調(diào)整方向上升或下降，沿同一方向(上升或下降)多次在Z方向上調(diào)整三維精密載物臺，每次調(diào)整后，保持在Z軸方向不變，調(diào)整X軸方向和Y軸方向，獲得在該圓孔深度時(shí)的圓孔內(nèi)徑，最終得孔徑沿深度方向的分布變化，由于本發(fā)明的成像光學(xué)裝置，采用了由第二顯微物鏡7和成像透鏡8組成的無限遠(yuǎn)系統(tǒng)，所以無論待測工件的圓孔深度為多少，即載物臺上、下移動多少，都不會影響成像效果，干擾測量者觀察視野。

在本發(fā)明中，步進(jìn)電機(jī)的移動精度最高可以達(dá)到0.050μm，因此，本測量系統(tǒng)的測量精度能達(dá)到0.025μm。該測量系統(tǒng)不僅可以測量圓孔內(nèi)徑，還可以用來測量狹縫寬度、外徑、墻面垂直度以及孔距等幾何量參數(shù)。

在本發(fā)明中，測試系統(tǒng)的測量精度還取決于顯微物鏡(第一、第二顯微物鏡)的倍率，顯微物鏡的倍率越大，測量精度越高，下面根據(jù)具體實(shí)施例進(jìn)行對比說明，在本實(shí)施例中，實(shí)際測量了一個(gè)標(biāo)稱直徑的30cm的圓孔狀樣品。

當(dāng)?shù)诙@微物鏡的倍率為10倍時(shí)，在X軸方向和Y軸方向上調(diào)整載物臺，前后采集兩次關(guān)于X軸或Y軸對稱的半圓形焦斑形狀圖像(如圖6所示)，兩次焦斑形狀圖像位置之差為29.9cm，測量值和標(biāo)定值基本一致，其誤差為0.3％。

增加第二顯微物鏡的倍率后，在面陣相機(jī)上形成更大的焦斑形狀圖像，如圖7所示，與圖6的焦斑形狀圖像相比，采用高倍顯微成像系統(tǒng)，可以更加精確判定待測工件和光軸的重合位置信息，從而提高系統(tǒng)的測量精度。

如圖8所示，本發(fā)明提供的一種圓孔內(nèi)徑的精密測量方法，包括以下步驟：

步驟S10、調(diào)整第一顯微物鏡與成像光學(xué)裝置的第二顯微物鏡之間的距離，使其共光軸、共聚焦點(diǎn)；

步驟S20、將待測工件放在載物臺上，調(diào)整載物臺，使光聚焦點(diǎn)處于待測工件圓孔的內(nèi)部，采用面陣相機(jī)觀察焦斑形狀，如圖4所示；

步驟S30、在X軸方向和Y軸方向上兩次調(diào)整載物臺，獲得關(guān)于X軸或Y軸對稱的兩個(gè)半圓形狀焦斑形狀圖像，分別記錄每次焦斑形狀呈半圓圖像時(shí)載物臺的坐標(biāo)，兩處坐標(biāo)差的絕對值為在該深度的圓孔內(nèi)徑值；

步驟S40、沿Z軸的同一方向多次調(diào)整載物臺，執(zhí)行步驟S30，得到不同深度的圓孔內(nèi)徑值，獲得該待測工件圓孔內(nèi)徑沿深度方向的分布變化。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。