CN103471533B - 表面形貌抗振干涉测量系统 - Google Patents

Abstract

表面形貌抗振干涉测量系统，包括白光光源，声光可调滤光器，第一分光镜，第二分光镜，测量模块和补偿模块；声光可调滤光器依次与驱动器，单片机扫频模块和声光可调滤光器与DSP模块控制单元连接，单片机扫频模块由声光可调滤光器与DSP模块控制单元触发；测量模块包括CCD相机和计算机，测量模块工作时单片机扫频模块采用低速扫频模式，声光可调滤光器与DSP模块控制单元受控于计算机；补偿模块包括光电探测器，DSP控制模块和压电陶瓷，补偿模块工作时单片机扫频模块采用高速扫频模式。本发明具有只需使用一个光源即可实现振动补偿的，能够实现在线测量，结构简单、价格低廉的优点。

Description

表面形貌抗振干涉测量系统

技术领域

本发明涉及一种表面形貌特征的测量方法。

背景技术

随着精密加工技术的飞速发展，精密检测技术所面临的挑战日益严峻，以表面测量为代表的现代精密测量技术也受到了越来越多的关注。在表面测量技术中，光学干涉测量具有非接触、快速性、高精度等优点，并能准确直观地获取被测工件表面的面形、波纹度以及粗糙度等信息。

相移干涉仪在精密测量领域占有重要的地位，获得了比较广泛的应用，但其采用激光或单波长光源作为系统的测量光源，会产生相位不确定问题，限制了测量深度。白光垂直扫描干涉仪采用低相干光源作为其测量光源，解决了相位不确定问题，但实现轴向的垂直扫描需要昂贵的微位移平台，这也在一定程度上限制了数据采集速度。为了取代垂直干涉仪中的机械运动部件，可使用波长可调节激光源或白光源加上可控的波长扫描装置来实现波长扫描。

为了控制产品加工质量、提高生产效率以及降低废品率，发展表面形貌在线测量方法至关重要。但是，工业现场往往存在着大量的机器运转振动噪声，空气扰动噪声等，对测量系统产生了极大的干扰。因此，增强白光波长扫描干涉测量仪的抗干扰能力，开展表面形貌伺服抗振系统的研制，提高系统的可靠性，具有非常重要的意义。而采用白光光源进行表面测量时，现有的振动补偿方法是附加一个激光光源或单波长光源作为参考干涉仪，这样测量系统中将集成两个光源，将导致系统结构复杂，价格昂贵。

发明内容

为了克服现有技术需要增设参考干涉仪进行振动补偿的缺点，本发明提供了一种

只需使用一个光源即可实现振动补偿的表面形貌抗振干涉测量系统。

表面形貌抗振干涉测量系统，包括白光光源，将白光光源过滤成单色光的声光可调滤光器(AOTF)，和使单色光分成两路的第一分光镜，一路单色光经第一物镜入射到被测工件，另一路单色光经第二物镜入射到参考反射镜，入射到被测工件和参考反射镜的单色光被反射后在第一分光镜处汇合并产生干涉，干涉光经第二分光镜分成两路，第一路干涉光进入用于获取被测工件的表面形貌的测量模块，第二路干涉光进入用于抑制噪声干扰的补偿模块；声光可调滤光器依次与驱动器，单片机扫频模块和声光可调滤光器与DSP模块控制单元连接，单片机扫频模块由声光可调滤光器与DSP模块控制单元触发；

测量模块包括CCD相机和计算机，测量模块工作时单片机扫频模块采用低速扫频模式，第一路干涉光经第一成像透镜进入CCD相机，CCD相机采集第一路干涉光形成的干涉图像并将干涉图像输入计算机中，计算机计算获得被测工件的表面三维形貌，被测工件上任意点的高度值h(x，y)的计算公式为：

其中，为随时间快速变化的波数，h_S为标准块的高度，h_S为已知量；

声光可调滤光器与DSP模块控制单元受控于计算机；补偿模块包括光电探测器，DSP控制模块和压电陶瓷，补偿模块工作时单片机扫频模块采用高速扫频模式，第二路干涉光经第二成像透镜进入光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号并将该电信号输入DSP控制模块，DSP控制模块计算出需要补偿的光程差其中为振动起始时刻的相位；k(t)为随时间快速变化的波数，与AOTF的控制相关；h(t)为高速扫频起始时刻的单臂光程差，h(t+Δt)为高速扫频结束时刻的单臂光程差；压电陶瓷受控于DSP控制模块，压电陶瓷与参考反射镜固定，压电陶瓷的形变长度等于参考反射镜移动的距离。

进一步，白光光源与声光可调滤光器之间依次设有使白光形成点光源的第一光阑，和将点光源分散成平行光的第一准直镜。

进一步，声光可调滤光器与第一分光镜之间依次设有第二光阑和第二准直镜。

进一步，声光滤光器驱动器的输出频率由单片机扫频模块控制，所述的单片机扫频模块对驱动器施加不同频率的电信号，声光滤光器从白光源中过滤出不同波长的单色光。

本发明具有如下有益效果：

1、在线测量。本发明采用声光可调滤光器作为波长扫描装置，其响应速度很快，可达微秒级，且测量中无需机械运动部件，完全采用计算机控制来实现波长扫描。整个测量过程时间很短，可应用于工业现场，提高产品加工效率。

2、抗干扰能力强。工厂环境中各种噪声干扰不可避免，而通常的表面干涉仪对振动噪声比较敏感，且测量时间长，无法应用于工业现场。本发明采用一种主动抗振补偿技术，能有效抑制环境噪声的影响，提高测量的稳定性与准确性。

3、结构简单、价格低廉。本发明一方面无需昂贵的微位移平台，另一方面测量过程中只使用单个白光光源，省去了用于振动补偿的激光光源，系统结构简单，从而光路稳定性提高，仪器造价也更加低廉。

附图说明

图1是本发明的示意图。

图中：1、白光光源；2、第一光阑；3、准直镜；4、声光可调滤光器；5、第二光阑；6、准直镜；7、第一物镜；8、被测工件；9、第一分光镜；10、第二物镜；11、参考反射镜；12、压电陶瓷；13、DSP控制模块；14、光电探测器；15、第一成像透镜；16、第二分光镜；17、CCD相机；18、计算机；19、第二成像透镜；20、声光可调滤光器与DSP模块控制单元；21、单片机扫频模块；22、声光滤光器驱动器。

具体实施方式

参照图1，进一步说明本发明：

表面形貌抗振干涉测量系统，包括白光光源1，将白光光源1过滤成单色光的声光可调滤光器4(AOTF)，和使单色光分成两路的第一分光镜9，一路单色光经第一物镜7入射到被测工件8，另一路单色光经第二物镜10入射到参考反射镜11，入射到被测工件8和参考反射镜11的单色光被反射后在第一分光镜9处汇合并产生干涉，干涉光经第二分光镜16分成两路，第一路干涉光进入用于获取被测工件8的表面形貌的测量模块，第二路干涉光进入用于抑制噪声干扰的补偿模块；声光可调滤光器4依次与驱动器，单片机扫频模块21和声光可调滤光器与DSP模块控制单元20连接，单片机扫频模块21由声光可调滤光器与DSP模块控制单元20触发；测量模块包括CCD相机17和计算机18，测量模块工作时单片机扫频模块21采用低速扫频模式，第一路干涉光经第一成像透镜15进入CCD相机17，CCD相机17采集第一路干涉光形成的干涉图像并将干涉图像输入计算机18中，计算机18计算获得被测工件8的表面三维形貌，被测工件8上任意点的高度值h(x，y)的计算公式为：

其中，为随时间快速变化的波数，h_S为标准块的高度，h_S为已知量；

声光可调滤光器与DSP模块控制单元20受控于计算机18；补偿模块包括光电探测器，DSP控制模块和压电陶瓷，补偿模块工作时单片机扫频模块21采用高速扫频模式，第二路干涉光经第二成像透镜19进入光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号并将该电信号输入DSP控制模块，DSP控制模块计算出需要补偿的光程差其中为振动起始时刻的相位；k(t)为随时间快速变化的波数，与AOTF的控制相关；h(t)为高速扫频起始时刻的单臂光程差，h(t+Δt)高速扫频结束时刻的单臂光程差；压电陶瓷受控于DSP控制模块，压电陶瓷与参考反射镜11固定，压电陶瓷的形变长度等于参考反射镜11移动的距离。

白光光源1与声光可调滤光器4之间依次设有使白光形成点光源的第一光阑2，和将点光源分散成平行光的第一准直镜。

声光可调滤光器4与第一分光镜9之间依次设有第二光阑5和第二准直镜。

声光滤光器驱动器22的输出频率由单片机扫频模块21控制，所述的单片机扫频模块21对驱动器施加不同频率的电信号，声光滤光器从白光源中过滤出不同波长的单色光。

为了更精确地获得环境噪声的振动补偿值，声光可调滤光器4采用双模态工作方式：

(1)测量模块工作时的测量工作模式：通过计算机18控制单片机电路输出低频率方波信号，使AOTF工作在低速率扫频模式，用以配合帧采集速率较低的CCD获取干涉图像；

(2)补偿模块工作时的补偿工作模式：在CCD的帧图像曝光间隙之间，AOTF切换到高速率扫频模式，光电探测器采集快速变化的光强信号，用以快速计算并补偿由振动引起的光程差的变化。

在AOTF低速率扫频模式下，波数随时间以较低的速率线性变化，但在实际测量实验中，并不能保证波数是绝对线性变化的。为了补偿AOTF扫频的非线性误差，在计算绝对光程差时，需要对其进行修正。

测量中使用一已知高度的标准块作为参考进行高度校正。将高度h_S为的标准块置于参考反射镜11上，使光分别在参考反射镜11和标准块表面反射并形成干涉条纹。对任意测量点(x,y)，有：

对式(1)求相对于时间t的导数：

设参考反射镜11的入射点为(x_R，y_R),标准块表面的入射点为(x_S，y_S)，则有：

由几何关系可知：

h(x_S，y_S)-h(x_R，y_R)＝±2h_S(4)

式(2)、(3)、(4)联立，得：

同样地，对任意点而言，有：

由式(5)、(6)可得任意待测点的高度值：

通过对时间求导，可消除或减小波数随时间变化的非线性误差的影响。从式(7)可看出，相当于在扫频期间对时间做了平均化处理，从而提高了工件表面形貌的测量精度。

进行反馈补偿时，使AOTF工作在高速率扫频模式下，光电探测器采集干涉信号，进入DSP处理器进行快速处理，并补偿振动引起的光程差变化。在有噪声扰动的情况下，两个因素将导致干涉相位发生变化。当AOTF进行高速率波长扫描时，波数随时间线性变化，导致相位发生周期性变化，同时环境噪声对干涉仪的干扰使得相位产生随机性的变化。

因此，在时刻t，所获得的相位可表示为：

式中，k(t)为随时间快速变化的波数，与AOTF的控制相关；(t)为由振动引起的单臂光程差的改变。

在时刻t+Δt，，式(8)改写为：

由式(8)、(9)联立可得，所需补偿的由振动引起的距离为：

式中，t为CCD采集的帧图像曝光的起始时刻，t+Δt为CCD采集的帧图像曝光的结束时刻。

本发明具有如下有益效果：

1、在线测量。本发明采用声光可调滤光器作为波长扫描装置，其响应速度很快，可达微秒级，且测量中无需机械运动部件，完全采用计算机控制来实现波长扫描。整个测量过程时间很短，可应用于工业现场，提高产品加工效率。

2、抗干扰能力强。工厂环境中各种噪声干扰不可避免，而通常的表面干涉仪对振动噪声比较敏感，且测量时间长，无法应用于工业现场。本发明采用一种主动抗振补偿技术，能有效抑制环境噪声的影响，提高测量的稳定性与准确性。

3、结构简单、价格低廉。本发明无需昂贵的微位移平台，而且不需添加额外的单波长光源，简化了布局结构，稳定性得到提高，而且经济性也更好。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.表面形貌抗振干涉测量系统，其特征在于：该测量系统包括白光光源，将白光光源过滤成单色光的声光可调滤光器，和使单色光分成两路的第一分光镜，一路单色光经第一物镜入射到被测工件，另一路单色光经第二物镜入射到参考反射镜，入射到被测工件和参考反射镜的单色光被反射后在第一分光镜处汇合并产生干涉，干涉光经第二分光镜分成两路，第一路干涉光进入用于获取被测工件的表面形貌的测量模块，第二路干涉光进入用于抑制噪声干扰的补偿模块；声光可调滤光器依次与驱动器，单片机扫频模块和声光可调滤光器与DSP模块控制单元连接，单片机扫频模块由声光可调滤光器与DSP模块控制单元触发；

测量模块包括CCD相机和计算机，测量模块工作时单片机扫频模块采用低速扫频模式，第一路干涉光经第一成像透镜进入CCD相机，CCD相机采集第一路干涉光形成的干涉图像并将干涉图像输入计算机中，计算机计算获得被测工件的表面三维形貌，被测工件上任意点的高度值的计算公式为：；

其中，为随时间快速变化的波数，为标准块的高度，为已知量，为参考反射镜的入射点，为标准块表面的入射点；

声光可调滤光器与DSP模块控制单元受控于计算机；补偿模块包括光电探测器，DSP控制模块和压电陶瓷，补偿模块工作时单片机扫频模块采用高速扫频模式，第二路干涉光经第二成像透镜进入光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号并将该电信号输入DSP控制模块，DSP控制模块计算出需要补偿的光程差，其中为振动起始时刻的相位；为随时间快速变化的波数，与声光可调滤光器的控制相关；为高速扫频起始时刻的单臂光程差，为高速扫频结束时刻的单臂光程差；压电陶瓷受控于DSP控制模块，压电陶瓷与参考反射镜固定，压电陶瓷的形变长度等于参考反射镜移动的距离。

2.如权利要求1所述的表面形貌抗振干涉测量系统，其特征在于：白光光源与声光可调滤光器之间依次设有使白光形成点光源的第一光阑，和将点光源分散成平行光的第一准直镜。

3.如权利要求2所述的表面形貌抗振干涉测量系统，其特征在于：声光可调滤光器与第一分光镜之间依次设有第二光阑和第二准直镜。

4.如权利要求3所述的表面形貌抗振干涉测量系统，其特征在于：声光可调滤光器驱动器的输出频率由单片机扫频模块控制，所述的单片机扫频模块对驱动器施加不同频率的电信号，声光可调滤光器从白光源中过滤出不同波长的单色光。