三表面干涉式高精度曲面輪廓測(cè)量系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三表面干涉式高精度曲面輪廓測(cè)量系統(tǒng)及方法。這是一種利用邁克爾遜干涉原理，獲取被測(cè)零件表面三維輪廓信息的測(cè)量系統(tǒng)。首先用計(jì)算機(jī)控制半導(dǎo)體激光器進(jìn)行波數(shù)掃描，與此同時(shí)CCD相機(jī)連續(xù)拍攝不同波數(shù)下的干涉圖像。通過光路中光楔前后表面的干涉圖像進(jìn)行波數(shù)在線監(jiān)測(cè)。然后將干涉圖像每個(gè)像素沿時(shí)間軸傅立葉變換，在被測(cè)零件曲面輪廓和光楔前表面干涉信號(hào)峰值處，提取卷繞相位信息。解卷繞后，得到被測(cè)零件表面三維輪廓。本發(fā)明的曲面三維輪廓測(cè)量精度為±10nm，穩(wěn)定可靠，不需經(jīng)常實(shí)時(shí)效驗(yàn)，不需參考曲面，同時(shí)保持很高的測(cè)量精度。
【專利說明】
三表面干涉式高精度曲面輪廓測(cè)量系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明提出一種三表面干涉式高精度曲面輪廓測(cè)量系統(tǒng)及方法，適用于精密測(cè) 試、數(shù)控設(shè)備等領(lǐng)域，屬于物體表面三維輪廓測(cè)量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 高精度曲面輪廓測(cè)量技術(shù)在光學(xué)零件制造、模具加工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目 前，這種技術(shù)主要基于對(duì)比測(cè)量法原理，測(cè)量精度可達(dá)到亞微米級(jí)，但是需要一個(gè)高精度對(duì) 比測(cè)量參考面，而這對(duì)于用戶來講，不易滿足，且測(cè)量成本較高。
[0003] 波數(shù)掃描干涉測(cè)量技術(shù)是以激光波數(shù)掃描干涉方法為基礎(chǔ)進(jìn)行測(cè)量的一門技術(shù)。 它利用CCD相機(jī)和計(jì)算機(jī)，將多幅干涉圖像進(jìn)行快速處理，獲取被測(cè)零件的信息。其非接觸 式的測(cè)量方法和基于傅里葉變換的頻率域數(shù)據(jù)解調(diào)方法確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測(cè)量的超 高精度，可用于長(zhǎng)度、角度、輪廓、位移、介質(zhì)折射率變化和振動(dòng)等方面的幾何量測(cè)量。
[0004] 本專利設(shè)計(jì)了一種三表面干涉式高精度曲面輪廓測(cè)量系統(tǒng)。此系統(tǒng)基于邁克爾遜 干涉原理，首先利用可調(diào)諧激光進(jìn)行波數(shù)掃描，與此同時(shí)CCD相機(jī)拍攝多幅三表面干涉圖 像。接著通過傅立葉變換、相位解卷繞技術(shù)處理獲得被測(cè)零件的表面輪廓信息。該系統(tǒng)具有 非接觸、超高精度、可靠性高和成本低等特點(diǎn)，特別適用于機(jī)械加工后的質(zhì)量檢驗(yàn)應(yīng)用中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種三表面干涉式高精度曲面輪廓測(cè)量系統(tǒng)及方法。
[0006] 本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0007] 三表面干涉式高精度曲面輪廓測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，包括激光控制器（1)、半導(dǎo)體 激光器（2)、準(zhǔn)直透鏡（3)、分光鏡（4)、偏振片（5)、被測(cè)零件(6)、光楔（7)、CCD相機(jī)（8)、 計(jì)算機(jī)（9)。
[0008] 測(cè)量過程如下：先將被測(cè)零件（6)固定，然后打開激光器（2)，利用激光控制器（1) 進(jìn)行波數(shù)掃描，其掃描時(shí)間、掃描步距等由計(jì)算機(jī)（9)發(fā)出指令控制。激光器（2)發(fā)出的激 光被分光鏡（4)分為兩束，其中一束光經(jīng)過偏振片（5)，在被測(cè)零件（6)表面產(chǎn)生反射光； 另一束光在光楔（7)前后表面也產(chǎn)生反射光。這三個(gè)表面的反射光經(jīng)分光鏡（4)的透射和 反射作用后，相互疊加形成干涉圖像，由CCD相機(jī)（8)實(shí)時(shí)拍攝，最后在計(jì)算機(jī)（9)上將存 儲(chǔ)的干涉圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。
[0009] 三表面干涉式高精度曲面輪廓測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法的具體步驟如下：
[0010] 1)激光波數(shù)掃描：激光控制器（1)通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器（2)殼體的工作溫度， 對(duì)半導(dǎo)體激光器（2)的輸出光進(jìn)行波數(shù)掃描，使輸出光的波數(shù)k跟隨時(shí)間t變化，其函數(shù)關(guān) 系可表示t
[0011] (1)
[0012] 其中△ k為波數(shù)掃描最大變化量；T為波數(shù)掃描周期；k。為起始波數(shù)。
[0014]
[0013] 2)三表面干涉光強(qiáng)疊加的相位差：C⑶相機(jī)（8)采集到一組干涉條紋圖像，其光強(qiáng) 為：
[0015]
[0016]
[0017]
[0018] ΦΜ，ζΜ和npq分別為面p與面q(p，q = 1，2,3)反射光之間的相位差，距離和折射 率；fpq為面P與面q反射光之間的干涉頻率；Λ pq為面p與面q之間的光程差；(X，y)為被 測(cè)零件表面輪廓的空間坐標(biāo)，如圖1所示。
[0019] 3)半導(dǎo)體激光器（2)輸出光的波數(shù)在線監(jiān)測(cè)：如圖1所示，三個(gè)干涉面分別為光 楔前后表面S 2和被測(cè)曲面S 3。其中光楔前表面S1和后表面S 2彼此線性傾斜，用于監(jiān)測(cè) 半導(dǎo)體激光器輸出光的波數(shù)。單幅三表面干涉圖像經(jīng)二維傅立葉變換后，得到幅頻和相頻 圖。對(duì)于每幅干涉圖像均作上述處理，然后在非直流分量的峰值頻率處提取相角，得到對(duì)應(yīng) 每個(gè)波數(shù)下光楔前后表面干涉的卷繞相位。通過解卷繞運(yùn)算，得到每個(gè)波數(shù)下光楔干涉信 號(hào)的解卷繞相位0 uw12(t)，離散化后為ΦΜ12(η)，得到波數(shù)掃描干涉的波數(shù)序列k(n):
[0020]
(6)
[0021] 其中Λ 12。為光楔前后表面在（X = 〇mm，y = Omm)點(diǎn)的光程，N為(XD相機(jī)在波數(shù) 掃描中拍攝干涉圖像的總數(shù)目。
[0022] 4)利用隨機(jī)采樣離散傅立葉變換獲取被測(cè)零件表面的三維輪廓：CCD相機(jī)上拍攝 的三表面干涉圖像光強(qiáng)序列的隨機(jī)采樣離散傅里葉變換7〇c，，/)為
[0023]
(7)
[0024] 其中w()為波數(shù)掃描過程中采樣的窗口函數(shù)。
[0025] 將圖像各個(gè)像素點(diǎn)的干涉光強(qiáng)序列進(jìn)行隨機(jī)采樣離散傅立葉變換后，幅頻特性上 有3個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)光楔前后表面SjP S 2干涉、S i和被測(cè)曲面S 3干涉、S 2和被測(cè)曲面S 3 干涉。由于光楔前表面31是平整的，其平整度< λ/20,因此各個(gè)像素點(diǎn)的光楔前表面SJP 被測(cè)曲面S3干涉峰值對(duì)應(yīng)的卷繞相位Φ 13(x，y)包含被測(cè)曲面的高度信息。將光楔前表面 S1和被艸曲而?車她裘達(dá)*日給M裘繞后，就可得到被測(cè)曲面S 3的三維輪廓信息：
[0026] (8)
[0027] 兵〒f'13u，y) 73尤極目U表面S1和被測(cè)曲面S3干涉的解卷繞相位圖；z13(x，y)為 SjP S3之間的高度差。由于光楔前表面S 1平整且嚴(yán)格垂直z方向，Az13(x，y) = Az3(X， y)，后者就是被測(cè)零件的曲面三維輪廓。
【附圖說明】
[0028] 圖1三表面干涉式高精度曲面輪廓測(cè)量系統(tǒng)；包括激光控制器（1)、半導(dǎo)體激光器 (2)、準(zhǔn)直透鏡（3)、分光鏡（4)、偏振片（5)、被測(cè)零件（6)、光楔（7)、CCD相機(jī)（8)、計(jì)算機(jī) (9)〇
[0029] 圖2三表面干涉圖像經(jīng)二維傅立葉變換后的幅頻特性圖。
[0030] 圖3三表面干涉圖像經(jīng)二維傅立葉變換后的相頻特性圖。
[0031] 圖4波數(shù)掃描對(duì)應(yīng)的光楔卷繞相位序列。
[0032] 圖5波數(shù)掃描對(duì)應(yīng)的光楔解卷繞相位序列。
[0033] 圖6干涉圖像在X = 0, y = 0處的干涉光強(qiáng)序列。
[0034] 圖7光楔前表面S1和被測(cè)曲面S 3干涉的卷繞相位圖。
[0035] 圖8被測(cè)曲面S3的三維輪廓。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面結(jié)合實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0037] 激光控制器（1)使用ILX Lightwave LDC-3724,半導(dǎo)體激光器（2)使用Toptica 公司的DFB半導(dǎo)體激光器LD-0855-0150-DFB-1，中心波數(shù)7. 39X 106m \在波數(shù)掃描過程 中，波數(shù)無模跳，掃描范圍為4. 13X 103m、光楔（7)中心厚度6mm，傾角以，CCD相機(jī)（8) 使用PCO公司的PC01600。計(jì)算機(jī)（9)使用Windows XP 32位系統(tǒng)，2G內(nèi)存。三表面干涉 式高精度曲面輪廓測(cè)量系統(tǒng)搭建在大恒光電公司的防振平臺(tái)DH-0TB-1200-800-100上。
[0038] 被測(cè)零件（6)為蘋果iPad Air的LOGO,將被測(cè)零件安裝固定以后，計(jì)算機(jī)控制半 導(dǎo)體激光器進(jìn)行波數(shù)掃描，同時(shí)CCD相機(jī)拍攝N張干涉圖像，如圖1所示，三個(gè)干涉面分別 為光楔前后面S 2和被測(cè)曲面S 3。
[0039] 單幅三表面干涉圖像經(jīng)二維傅立葉變換后，幅頻和相頻特性圖如圖2, 3所示。對(duì) 于每幅干涉圖像，在非直流分量的峰值頻率處（圖2中點(diǎn)①）提取相角，得到對(duì)應(yīng)每個(gè)激光 波數(shù)下光楔前后表面干涉的卷繞相位，如圖4所示。通過解卷繞運(yùn)算，得到每個(gè)激光波數(shù)下 光楔干涉信號(hào)的解卷繞相位，離散化后為Φ uw12 (η)，如圖5所示。
[0040] 圖6為X = 0，y = 0像素點(diǎn)的光強(qiáng)序列，灰度值0~255表示光強(qiáng)。將干涉圖像 各個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)序列進(jìn)行隨機(jī)采樣離散傅立葉變換后，幅頻特性上有3個(gè)峰值，分別對(duì) 應(yīng)光楔前后表面SjP S 2干涉、S i和被測(cè)曲面S 3干涉、S 2和S 3干涉。提取光楔前表面S 4口 被測(cè)曲面&干涉峰值處的卷繞相位，如圖7所示。將上述卷繞相位解卷繞后，根據(jù)公式（8) 求出被測(cè)曲面&的三維輪廓信息，如圖8所示。
[0041] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0042] (1)曲面三維輪廓測(cè)量精度為±10nm。
[0043] (2)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，魯棒性好。
[0044] (3)不需經(jīng)常實(shí)時(shí)效驗(yàn)，不需參考曲面，對(duì)不同曲面輪廓仍保持很高的測(cè)量精度。
[0045] 綜上所述，在三維曲面輪廓測(cè)量領(lǐng)域，本發(fā)明所提出的三表面干涉式高精度曲面 輪廓測(cè)量系統(tǒng)及方法具有廣闊的應(yīng)用前景。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種三表面干涉式高精度曲面輪廓測(cè)量系統(tǒng)，包括激光控制器（I)、半導(dǎo)體激光器 (2)、準(zhǔn)直透鏡（3)、分光鏡（4)、偏振片（5)、被測(cè)零件（6)、光楔（7)、CCD相機(jī)（8)、計(jì)算機(jī) (9)〇2. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的三表面干涉式高精度曲面輪廓測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：激 光控制器（1)控制半導(dǎo)體激光器（2)殼體的溫度線性變化，使半導(dǎo)體激光器（2)輸出光的 波數(shù)單調(diào)變化。3. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的三表面干涉式高精度曲面輪廓測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：光 路為邁克爾遜干涉式，一個(gè)臂安裝被測(cè)零件（6)，另一臂安裝光楔（7)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3中所述的三表面干涉式高精度曲面輪廓測(cè)量系統(tǒng)，其特征在 于：光楔（7)的前表面為邁克爾遜干涉的參考面。5. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3中所述的三表面干涉式高精度曲面輪廓測(cè)量系統(tǒng)，其特征在 于：光楔（7)的前后表面用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體激光器（2)輸出光的波數(shù)。6. -種三表面干涉式高精度曲面輪廓測(cè)量方法，其具體步驟如下： 1) 激光波數(shù)掃描：激光控制器（1)通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器（2)殼體的工作溫度，對(duì)半 導(dǎo)體激光器（2)輸出光進(jìn)行波數(shù)掃描，使輸出光的波數(shù)k跟隨時(shí)間t變化，其函數(shù)關(guān)系可表 示為：其中A k為波數(shù)掃描最大變化量；T為波數(shù)掃描周期；k。為起始波數(shù)。 2) 三表面干涉光強(qiáng)疊加的相位差：CCD相機(jī)⑶采集到一組干涉條紋圖像，其光強(qiáng)可表 示為：ΦΜ，Zpq和η pq分別為面p與面q(p，q = 1，2, 3)反射光之間的相位差，距離和折射率； fpq為面P與面q反射光之間的干涉頻率；Λ pq為面p與面q之間的光程差；(X，y)為被測(cè) 零件表面輪廓的空間坐標(biāo)。 3) 半導(dǎo)體激光器（2)輸出光的波數(shù)在線監(jiān)測(cè)：三個(gè)干涉面分別為光楔（7)的前后表面 Sp S2和被測(cè)曲面S3。其中光楔（7)的前表面SJP后表面S 2彼此線性傾斜，用于監(jiān)測(cè)半導(dǎo) 體激光器（2)輸出光的波數(shù)。單幅三表面干涉圖像經(jīng)二維傅立葉變換后，得到幅頻和相頻 圖；對(duì)于每幅干涉圖像均作上述處理，在非直流分量的峰值頻率處提取相角，得到對(duì)應(yīng)每個(gè) 波數(shù)下光楔（7)前后表面干涉的卷繞相位；通過解卷繞運(yùn)算，得到每個(gè)波數(shù)下光楔（7)干涉 信號(hào)的解卷繞相位Φ',α)，離散化后為Φ Μ12(η)，得到波數(shù)掃描干涉的波數(shù)序列k(n):其中Λ 12。為光楔（7)前后表面在X = Omm，y = Omm處的光程，N為C⑶相機(jī)⑶在波 數(shù)掃描中拍攝圖像的總數(shù)目。 4)利用隨機(jī)采樣離散傅立葉變換獲取被測(cè)零件（6)表面的三維輪廓：CCD相機(jī)（8)上 拍攝的三表面干涉圖像光強(qiáng)序列的隨機(jī)采樣離散傅里葉變：為其中w()為波數(shù)掃描過程中采樣的窗口函數(shù)。 將圖像各個(gè)像素點(diǎn)的干涉光強(qiáng)序列進(jìn)行隨機(jī)采樣離散傅立葉變換后，幅頻特性上有3 個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)為光楔（7)前后表面SjP S 2干涉、S i和被測(cè)曲面S 3干涉、S 2和S 3干涉。 由于光楔（7)的前表面31是平整的，其平整度< λ/20,因此圖像各個(gè)像素點(diǎn)的光楔（7)前 表面S1和被測(cè)曲面S3干涉峰值對(duì)應(yīng)的卷繞相位Φ 13(x，y)包含被測(cè)曲面&高度信息。將 光楔（7)前表面S1和被測(cè)曲面S 3干涉的卷繞相位解卷繞后，就可得到被測(cè)曲面S3的三維 輪廓信息：其中φ?13(χ，y)為光楔（7)前表面S1和被測(cè)曲面3 3干涉的解卷繞相位圖；z13(x，y) 為光楔（7)前表面S1和被測(cè)曲面S3之間的高度差。由于光楔（7)的前表面51平整且嚴(yán)格 垂直z方向，Az 13 (x，y) = Az3 (x，y)，后者就是被測(cè)零件（6)的曲面三維輪廓。
【文檔編號(hào)】G01B11/24GK105890538SQ201410856974
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2014年12月30日
【發(fā)明人】周延周, 謝創(chuàng)亮, 劉運(yùn)紅
【申請(qǐng)人】廣東工業(yè)大學(xué)