CN101718520B - 一种快速表面质量测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速表面质量测量系统。包含两套共光路的干涉仪，其中一套补偿噪声用参考干涉仪是专门用于检测环境中的振动、空气扰动等噪声，通过负反馈消除这些背景噪声干扰的影响。另一套测量用主干涉仪采用声光滤光器控制入射到干涉仪的光波长，利用基于GPGPU的大规模并行运算对产生的干涉信号进行处理，能够迅速地获得被测表面的三维形貌。本发明能实时测量，且测量过程中无需机械光程扫描，可以达到很快的测量速度，平均1-2秒就能更新一次，经过优化后可望更快；加上主动光路补偿技术，减少环境噪声对测量带来的影响；达到亚纳米级的测量精度；造价较为低廉，省去了通常昂贵的高精度平移台，它可用于干扰较多的加工车间里。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学计量仪器，尤其是涉及一种快速表面质量测量系统。
背景技术
表面质量检测影响着绝大部分工业产品的性能，据调查90％以上的工程部件失效是从表面开始的。因此，在产品加工过程中对表面质量包括面形、波度、粗糙度等的检测能够准确地控制加工程序以使产品获得最佳的质量和使用寿命，并减少废品率。对于高精密加工来讲，在线测量显得尤其重要。另外，在线表面检测也能及时发现加工刀具的磨损状况并在其损坏之前进行更换。由于加工过程中的环境限制，一般要求在线检测方法必须具有非接触、速度快、抗干扰的特点。
目前，在线检测大都基于光学方法，其中光学散射方法是一种比较成熟的技术，它利用入射到被测表面其上的激光的散射光在散射方向、偏振态、散斑对比度等方面与表面粗糙度的联系，通过统计分析能够较为准确地获得被测表面的粗糙度信息。但其缺点是它无法定量地测量表面波度和面形，其有效性常常受到被测工件加工工艺的影响。
干涉仪则可以很好地弥补散射方法的上述缺点，具有高精度、定量分析的特点，能够准确地获得被测表面的面形、波度、粗糙度等信息。其中白光干涉仪和波长扫描干涉仪都可以获得nm级的测量分辨率，且由于具有采用低相干光或可调谐光作为光源，不存在单频激光干涉仪的相位不确定问题，能够测量粗糙表面和结构面。但是，若应用到在线测量还需要解决两个重要的问题，即抗干扰能力和测量速度。在线测量往往需要在震动、空气扰动等比较明显的加工环境进行，因此对测量系统的抗干扰能力要求比较高，而一般的光学干涉仪是难以胜任的；同时，为了缩短生产时间、提高加工效率，要求干涉方法应能在较短的时间内完成，最好能够数秒内产生结果，这对白光干涉仪和波长扫描干涉仪都提出了挑战。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速表面质量测量系统，它包含两套共光路的干涉仪，其中一套补偿噪声用参考干涉仪是专门用于检测环境中的振动、空气扰动等噪声，通过负反馈消除这些背景噪声干扰的影响。另一套测量用主干涉仪采用声光滤光器控制入射到干涉仪的光波长，利用基于GPGPU的大规模并行运算对产生的干涉信号进行处理，能够迅速地获得被测表面的三维形貌。
本发明采用的技术方案是：
包括两套耦合在一起的干涉仪组成，其中：
1)一套测量用主干涉仪：包括数据采集卡，计算机，图像采集卡，三个分光镜，相机，两个物镜，参考反射镜，成像透镜，准直镜，可调谐滤光器、白光光源和滤光器驱动单元；白光光源发出的入射光，经过可调谐滤光器、准直镜后成为平行光、经第一分光镜至第二分光镜后，将入射光分为两路，一路光经第一物镜入射到参考镜上，另一路经第二物镜入射到被测样品表面，入射到参考镜和被测样品表面上的光分别被反射后重新在第二分光镜处叠加形成干涉，干涉光经成像透镜、第三分光镜后重新分成两路光，其中分光镜对白光发出的光全透过，经图像采集卡、计算机处理后获得被测样品的面形，可调谐滤光器的输出波长由计算机经由数据采集卡1改变滤光器驱动单元的输出频率来控制；
2)一套补偿噪声用参考干涉仪：包括扩束器，激光器，探测器，伺服控制电路和补偿压电陶瓷；激光器发出的激光经扩束器经第一分光镜后与白光光源耦合在一起，对激光器发出的激光在第三分光镜处被反射至探测器转变为光电信号，伺服控制电路利用此光电信号控制补偿压电陶瓷来抑制环境噪声对测量的干扰。
所述的伺服控制电路采用PID闭环控制单元。
所述的滤光器驱动单元是采用通过对滤光器施加一定频率的电信号来选择不同波长的光通过滤光器。
本发明具有的有益效果是：
1.实时测量：由于声光滤光器具有极短的反应时间(微秒级)，且测量过程中无需机械光程扫描，可以达到很快的测量速度。平均1-2秒就能更新一次，经过优化后可望更快。能为加工生产节省大量宝贵时间。
2.抗干扰：加工环境中各种干扰无法避免，一般干涉仪测量时间长，对振动等噪声很敏感。本方案一方面提高测量速度，再加上主动光路补偿技术，可以尽可能减少环境噪声对测量带来的影响，可用于干扰较多的加工车间里。
3.高精度：可以达到亚纳米级的测量精度，基本满足超精密加工过程中的表面检测精度需求。
4.造价较为低廉：省去了通常昂贵的高精度平移台。
附图说明
附图是本发明的结构原理示意图。
图中：1、数据采集卡，2、计算机，3、图像采集卡，4、分光镜，5、相机，6、探测器，7、物镜，8、伺服控制电路，9、补偿压电陶瓷，10、参考反射镜，11、成像透镜，12、被测样品，13、物镜，14、分光镜，15、分光镜，16、准直镜，17、可调谐滤光器，18、白光光源，19、扩束器，20、滤光器驱动单元，21、激光器。
具体实施方式
如附图所示，本发明包括包括两套耦合在一起的干涉仪组成，其中：
1)一套测量用主干涉仪：包括数据采集卡1，计算机2，图像采集卡3，三个分光镜4、14、15，相机5，两个物镜7、13，参考反射镜10，成像透镜11，准直镜16，可调谐滤光器17、白光光源18和滤光器驱动单元20；白光光源18发出的入射光，经过可调谐滤光器17、准直镜16后成为平行光、经第一分光镜15至第二分光镜14后，将入射光分为两路，一路光经第一物镜7入射到参考镜10上，另一路经第二物镜13入射到被测样品12表面，入射到参考镜10和被测样品12表面上的光分别被反射后重新在第二分光镜14处叠加形成干涉，干涉光经成像透镜11、第三分光镜4后重新分成两路光，其中分光镜4对白光18发出的光全透过，经图像采集卡3、计算机2处理后获得被测样品的面形，可调谐滤光器17的输出波长由计算机2经由数据采集卡1改变滤光器驱动单元20的输出频率来控制；
2)一套补偿噪声用参考干涉仪：包括扩束器19，激光器21，探测器6，伺服控制电路8和补偿压电陶瓷9；激光器21发出的激光经扩束器19经第一分光镜15后与白光光源18耦合在一起，对激光器21发出的激光在第三分光镜4处被反射至探测器6转变为光电信号，伺服控制电路8利用此光电信号控制补偿压电陶瓷9来抑制环境噪声对测量的干扰。
所述的伺服控制电路8采用PID闭环控制单元。如Ocean Controls公司的N1100型PID控制器，它通过闭环控制来驱动补偿压电陶瓷9改变系统光程差，使得探测器6获得的光电信号保持稳定，以抑制环境噪声对测量的干扰。
所述的滤光器驱动20单元是采用通过对滤光器17施加一定频率的电信号来选择不同波长的光通过滤光器。如Gooch and Housego公司的64020-200-2ADMDFS-A型滤光器驱动单元。
与一般白光干涉测量系统所不同的是，本测量系统不依赖光程扫描，测量时不需要任何机械运动，因此可以实现快速实时测量。其关键点是使用了声光滤光技术，由被测表面和参考镜反射回来的光在分光镜2处叠加形成干涉，随后进入声光滤光器。声光滤光器具有波长选择作用，通过对其施加不同的驱动频率，可以使各个波长的干涉图案依次出射到相机上，通过对这些干涉图案进行处理即可获得被测表面的形貌，继而分离出所需要的表面粗糙度、波度、面形等参数。
为了消除环境噪声对测量可靠性和精度的影响，本方案采用了共路原理。参考干涉仪的光源与测量光(白光)在二色镜处合并后沿着相同的光路传播并分别照射在被测表面和参考镜上，其干涉信号由探测器获取。由于二者所经路径相同，两个干涉仪经历的噪声也相同，这些噪声会造成探测器所测得的光强或者位相发生变化，该变化量通过反馈控制单元后可驱动补偿压电陶瓷对环境噪声进行相应补偿。
测量用主干涉仪的具体工作原理是：
由白光光源18发出的光，经过可调谐滤光器后仅有特定波长的光通过，且该波长可以通过改变加在滤光器驱动20的频率来调节，经过准直镜16后成为平行光，随后由分光镜14将入射光分为两束，其中一束光入射到参考镜10上，另外一路入射到被测样品12表面，物镜7和物镜13的作用是将光聚焦在相应表面上，入射到参考镜10和被测样品12上光分别被反射后重新在分光镜14处叠加起来形成干涉，通过成像透镜11后被相机5接收，通过图像采集卡3可由计算机2获取并进行后续的信号处理，得到被测表面的三维形貌，继而分离出所需要的表面粗糙度、波度、面形等参数。滤光器的波长选择和相机的干涉图像采集均由计算机控制。
补偿噪声用参考干涉仪的具体工作原理是：
由激光器21发出的单色光经过扩束器19扩大光斑直径后在分光镜15处于白光光源耦合在一起，为了提高光能的利用率，分光镜15可以采用对白光透过率高且对激光波长的反射率高的设计。在分光镜15与分光镜4之间的光路中，激光与白光(经过滤光器滤过后的光)的传播路径重合，最后由探测器6获得激光的干涉信号。由于两个干涉仪的光路重合，环境干扰(如继续振动、空气扰动、温度漂移等)对两干涉仪光程差的变化也相似，因此可以通过监测探测器6的光强变化来获取环境干扰的情况，并通过伺服控制电路8的反馈控制补偿PZT抵消环境干扰带来的影响，因此本发明能够用于干扰较多的加工车间里。
干涉信号的处理：相机上某像素点(x，y)(对应于样品表面某点(x’，y’))探测到的光强可以表示为：
I(x，y；k)＝a(x，y；k)+b(x，y；k)cos(2πkh(x，y))， (1)
式中a(x，y，k)和b(x，y，k)分别表示背景光强和干涉条纹的对比度，k是波数及光波长的倒数1/λ，h(x，y)表示干涉仪的两臂光程差.
干涉信号的位相
由下式给出
通过连续改变加在可调谐滤光器的信号频率可以连续改变进入干涉仪的波数，由(2)式可以看出，此时干涉信号的位相也会产生连续改变，
可知位相的变化量与波数的变化量成正比，则光程差h(x，y)可以表示为
分别计算CCD上各个像素的光程差，则可以获得被测表面的各点高度相对值，从而得到被测表面的信息。
为了提高干涉信号的处理速度，本发明提出基于通用GPU的大规模并行算法，能够数十倍地提高信号处理速度。该方法相较其他方法具有不需要特殊的硬件配置、自成体系、不明显增加处理成本、通用性强等优点。
Claims (2)
1.一种快速表面质量测量系统，其特征在于：包括两套耦合在一起的干涉仪组成，其中：
1)一套测量用主干涉仪：包括数据采集卡(1)，计算机(2)，图像采集卡(3)，三个分光镜(4、14、15)，相机(5)，两个物镜(7、13)，参考反射镜(10)，成像透镜(11)，准直镜(16)，可调谐滤光器(17)、白光光源(18)和滤光器驱动单元(20)；白光光源(18)发出的入射光，经过可调谐滤光器(17)、准直镜(16)后成为平行光、经第一分光镜(15)至第二分光镜(14)后，将入射光分为两路，一路光经第一物镜(7)入射到参考镜(10)上，另一路经第二物镜(13)入射到被测样品(12)表面，入射到参考镜(10)和被测样品(12)表面上的光分别被反射后重新在第二分光镜(14)处叠加形成干涉，干涉光经成像透镜(11)、第三分光镜(4)后重新分成两路光，其中分光镜(4)对白光光源(18)发出的光全透过，经图像采集卡(3)、计算机(2)处理后获得被测样品的面形，可调谐滤光器(17)的输出波长由计算机(2)经由数据采集卡(1)改变滤光器驱动单元(20)的输出频率来控制；所述的滤光器驱动(20)单元是采用通过对可调谐滤光器(17)施加一定频率的电信号来选择不同波长的光通过可调谐滤光器；
2)一套补偿噪声用参考干涉仪：包括扩束器(19)，激光器(21)，探测器(6)，伺服控制电路(8)和补偿压电陶瓷(9)；激光器(21)发出的激光经扩束器(19)经第一分光镜(15)后与白光光源(18)耦合在一起，对激光器(21)发出的激光在第三分光镜(4)处被反射至探测器(6)转变为光电信号，伺服控制电路(8)利用此光电信号控制补偿压电陶瓷(9)来抑制环境噪声对测量的干扰。
2.根据权利要求1所述的一种快速表面质量测量系统，其特征在于：所述的伺服控制电路(8)采用PID闭环控制单元。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20100602 Assignee: Hangzhou Zheda Three Color Instrument Co., Ltd. Assignor: Zhejiang University Contract record no.: 2013330000079 Denomination of invention: System for quickly measuring surface quality Granted publication date: 20110105 License type: Common License Record date: 20130419 |
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| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110105 Termination date: 20131116 |