CN105890538A - 三表面干涉式高精度曲面轮廓测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三表面干涉式高精度曲面轮廓测量系统及方法。这是一种利用迈克尔逊干涉原理，获取被测零件表面三维轮廓信息的测量系统。首先用计算机控制半导体激光器进行波数扫描，与此同时CCD相机连续拍摄不同波数下的干涉图像。通过光路中光楔前后表面的干涉图像进行波数在线监测。然后将干涉图像每个像素沿时间轴傅立叶变换，在被测零件曲面轮廓和光楔前表面干涉信号峰值处，提取卷绕相位信息。解卷绕后，得到被测零件表面三维轮廓。本发明的曲面三维轮廓测量精度为±10nm，稳定可靠，不需经常实时效验，不需参考曲面，同时保持很高的测量精度。

Description

三表面干涉式高精度曲面轮廓测量系统及方法

技术领域

本发明提出一种三表面干涉式高精度曲面轮廓测量系统及方法，适用于精密测试、数控设备等领域，属于物体表面三维轮廓测量领域。

背景技术

高精度曲面轮廓测量技术在光学零件制造、模具加工等领域有着广泛的应用。目前，这种技术主要基于对比测量法原理，测量精度可达到亚微米级，但是需要一个高精度对比测量参考面，而这对于用户来讲，不易满足，且测量成本较高。

波数扫描干涉测量技术是以激光波数扫描干涉方法为基础进行测量的一门技术。它利用CCD相机和计算机，将多幅干涉图像进行快速处理，获取被测零件的信息。其非接触式的测量方法和基于傅里叶变换的频率域数据解调方法确保了系统的稳定性和测量的超高精度，可用于长度、角度、轮廓、位移、介质折射率变化和振动等方面的几何量测量。

本专利设计了一种三表面干涉式高精度曲面轮廓测量系统。此系统基于迈克尔逊干涉原理，首先利用可调谐激光进行波数扫描，与此同时CCD相机拍摄多幅三表面干涉图像。接着通过傅立叶变换、相位解卷绕技术处理获得被测零件的表面轮廓信息。该系统具有非接触、超高精度、可靠性高和成本低等特点，特别适用于机械加工后的质量检验应用中。

发明内容

本发明提供了一种三表面干涉式高精度曲面轮廓测量系统及方法。

本发明通过如下技术方案实现：

三表面干涉式高精度曲面轮廓测量系统如图1所示，包括激光控制器(1)、半导体激光器(2)、准直透镜(3)、分光镜(4)、偏振片(5)、被测零件(6)、光楔(7)、CCD相机(8)、计算机(9)。

测量过程如下：先将被测零件(6)固定，然后打开激光器(2)，利用激光控制器(1)进行波数扫描，其扫描时间、扫描步距等由计算机(9)发出指令控制。激光器(2)发出的激光被分光镜(4)分为两束，其中一束光经过偏振片(5)，在被测零件(6)表面产生反射光；另一束光在光楔(7)前后表面也产生反射光。这三个表面的反射光经分光镜(4)的透射和反射作用后，相互叠加形成干涉图像，由CCD相机(8)实时拍摄，最后在计算机(9)上将存储的干涉图像数据进行分析处理。

三表面干涉式高精度曲面轮廓测量系统数据处理方法的具体步骤如下：

1)激光波数扫描：激光控制器(1)通过调节半导体激光器(2)壳体的工作温度，对半导体激光器(2)的输出光进行波数扫描，使输出光的波数k跟随时间t变化，其函数关系可表示为：

$k\left(t\right)=k_0+\frac{\mathrm{\Δk}}{T}\·t(0\≤t\≤T),---\left(1\right)$

其中Δk为波数扫描最大变化量；T为波数扫描周期；k₀为起始波数。

2)三表面干涉光强叠加的相位差：CCD相机(8)采集到一组干涉条纹图像，其光强为：

$I(x,y,t)=\underset{p=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{I_p(x,y)\·I_q(x,y)}\·\cos [2\mathrm{\π}\·f_{\mathrm{pq}}(x,y)\·t+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{pq}}(x,y)]---\left(2\right)$

$f_{\mathrm{pq}}(x,y)=\frac{{\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{pq}}(x,y)\·\mathrm{\Δk}}{\mathrm{\π}\·T},---\left(3\right)$

φ_pq(x，y)＝2·Λ_pq(x，y)·k₀， (4)

Λ_pq(x，y)＝n_pq·z_pq(x，y)， (5)

φ_pq，z_pq和n_pq分别为面p与面q(p，q＝1，2，3)反射光之间的相位差，距离和折射率；f_pq为面p与面q反射光之间的干涉频率；Λ_pq为面p与面q之间的光程差；(x，y)为被测零件表面轮廓的空间坐标，如图1所示。

3)半导体激光器(2)输出光的波数在线监测：如图1所示，三个干涉面分别为光楔前后表面S₁、S₂和被测曲面S₃。其中光楔前表面S₁和后表面S₂彼此线性倾斜，用于监测半导体激光器输出光的波数。单幅三表面干涉图像经二维傅立叶变换后，得到幅频和相频图。对于每幅干涉图像均作上述处理，然后在非直流分量的峰值频率处提取相角，得到对应每个波数下光楔前后表面干涉的卷绕相位。通过解卷绕运算，得到每个波数下光楔干涉信号的解卷绕相位φ^uw ₁₂(t)，离散化后为φ^uw ₁₂(n)，得到波数扫描干涉的波数序列k(n)：

$k\left(n\right)=\frac{{{\mathrm{\φ}}^{\mathrm{uw}}}_{12}\left(n\right)}{2\·{\mathrm{\Λ}}_{120}}(n=11......,N),---\left(6\right)$

其中Λ₁₂₀为光楔前后表面在(x＝0mm，y＝0mm)点的光程，N为CCD相机在波数扫描中拍摄干涉图像的总数目。

4)利用随机采样离散傅立叶变换获取被测零件表面的三维轮廓：CCD相机上拍摄的三表面干涉图像光强序列的随机采样离散傅里叶变换为

$\tilde{I}(x,y,f)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}I(x,y,k\left(n\right))\·w\left(k\left(n\right)\right)\·\exp [-j\·2\mathrm{\πf}\·k\left(n\right)],---\left(7\right)$

其中w()为波数扫描过程中采样的窗口函数。

将图像各个像素点的干涉光强序列进行随机采样离散傅立叶变换后，幅频特性上有3个峰值，分别对应光楔前后表面S₁和S₂干涉、S₁和被测曲面S₃干涉、S₂和被测曲面S₃干涉。由于光楔前表面S₁是平整的，其平整度＜λ/20，因此各个像素点的光楔前表面S₁和被测曲面S₃干涉峰值对应的卷绕相位φ₁₃(x，y)包含被测曲面的高度信息。将光楔前表面S₁和被测曲面S₃干涉卷绕相位解卷绕后，就可得到被测曲面S₃的三维轮廓信息：

$z_{13}(x,y)=\frac{{{\mathrm{\φ}}^{\mathrm{uw}}}_{13}(x,y)}{2\·k_0},---\left(8\right)$

其中φ^uw ₁₃(x，y)为光楔前表面S₁和被测曲面S₃干涉的解卷绕相位图；z₁₃(x，y)为S₁和S₃之间的高度差。由于光楔前表面S₁平整且严格垂直z方向，Δz₁₃(x，y)＝Δz₃(x，y)，后者就是被测零件的曲面三维轮廓。

附图说明

图1三表面干涉式高精度曲面轮廓测量系统；包括激光控制器(1)、半导体激光器(2)、准直透镜(3)、分光镜(4)、偏振片(5)、被测零件(6)、光楔(7)、CCD相机(8)、计算机(9)。

图2三表面干涉图像经二维傅立叶变换后的幅频特性图。

图3三表面干涉图像经二维傅立叶变换后的相频特性图。

图4波数扫描对应的光楔卷绕相位序列。

图5波数扫描对应的光楔解卷绕相位序列。

图6干涉图像在x＝0，y＝0处的干涉光强序列。

图7光楔前表面S₁和被测曲面S₃干涉的卷绕相位图。

图8被测曲面S₃的三维轮廓。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应限制本发明的保护范围。

激光控制器(1)使用ILX Lightwave LDC-3724，半导体激光器(2)使用Toptica公司的DFB半导体激光器LD-0855-0150-DFB-1，中心波数7.39×10⁶m^-1，在波数扫描过程中，波数无模跳，扫描范围为4.13×10³m^-1。光楔(7)中心厚度6mm，倾角6′，CCD相机(8)使用PCO公司的PCO1600。计算机(9)使用Windows XP 32位系统，2G内存。三表面干涉式高精度曲面轮廓测量系统搭建在大恒光电公司的防振平台DH-OTB-1200-800-100上。

被测零件(6)为苹果iPad Air的LOGO，将被测零件安装固定以后，计算机控制半导体激光器进行波数扫描，同时CCD相机拍摄N张干涉图像，如图1所示，三个干涉面分别为光楔前后面S₁、S₂和被测曲面S₃。

单幅三表面干涉图像经二维傅立叶变换后，幅频和相频特性图如图2，3所示。对于每幅干涉图像，在非直流分量的峰值频率处(图2中点①)提取相角，得到对应每个激光波数下光楔前后表面干涉的卷绕相位，如图4所示。通过解卷绕运算，得到每个激光波数下光楔干涉信号的解卷绕相位，离散化后为φ^uw ₁₂(n)，如图5所示。

图6为x＝0，y＝0像素点的光强序列，灰度值0～255表示光强。将干涉图像各个像素点的光强序列进行随机采样离散傅立叶变换后，幅频特性上有3个峰值，分别对应光楔前后表面S₁和S₂干涉、S₁和被测曲面S₃干涉、S₂和S₃干涉。提取光楔前表面S₁和被测曲面S₃干涉峰值处的卷绕相位，如图7所示。将上述卷绕相位解卷绕后，根据公式(8)求出被测曲面S₃的三维轮廓信息，如图8所示。

本发明的优点在于：

(1)曲面三维轮廓测量精度为±10nm。

(2)系统稳定可靠，鲁棒性好。

(3)不需经常实时效验，不需参考曲面，对不同曲面轮廓仍保持很高的测量精度。

综上所述，在三维曲面轮廓测量领域，本发明所提出的三表面干涉式高精度曲面轮廓测量系统及方法具有广阔的应用前景。

Claims (6)

1.一种三表面干涉式高精度曲面轮廓测量系统，包括激光控制器(1)、半导体激光器(2)、准直透镜(3)、分光镜(4)、偏振片(5)、被测零件(6)、光楔(7)、CCD相机(8)、计算机(9)。

2.根据权利要求1中所述的三表面干涉式高精度曲面轮廓测量系统，其特征在于：激光控制器(1)控制半导体激光器(2)壳体的温度线性变化，使半导体激光器(2)输出光的波数单调变化。

3.根据权利要求1中所述的三表面干涉式高精度曲面轮廓测量系统，其特征在于：光路为迈克尔逊干涉式，一个臂安装被测零件(6)，另一臂安装光楔(7)。

4.根据权利要求1、2、3中所述的三表面干涉式高精度曲面轮廓测量系统，其特征在于：光楔(7)的前表面为迈克尔逊干涉的参考面。

5.根据权利要求1、2、3中所述的三表面干涉式高精度曲面轮廓测量系统，其特征在于：光楔(7)的前后表面用于实时监测半导体激光器(2)输出光的波数。

6.一种三表面干涉式高精度曲面轮廓测量方法，其具体步骤如下：

1)激光波数扫描：激光控制器(1)通过调节半导体激光器(2)壳体的工作温度，对半导体激光器(2)输出光进行波数扫描，使输出光的波数k跟随时间t变化，其函数关系可表示为：

$k\left(t\right)=k_0+\frac{\mathrm{\Δk}}{T}\·t(0\≤t\≤T)$

其中Δk为波数扫描最大变化量；T为波数扫描周期；k₀为起始波数。

2)三表面干涉光强叠加的相位差：CCD相机(8)采集到一组干涉条纹图像，其光强可表示为：

$I(x,y,t)=\underset{p=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{I_p(x,y)\·I_q(x,y)}\·\cos [2\mathrm{\π}\·f_{\mathrm{pq}}(x,y)\·t+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{pq}}(x,y)]$

$f_{\mathrm{pq}}(x,y)=\frac{{\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{pq}}(x,y)\·\mathrm{\Δk}}{\mathrm{\π}\·T}$

φ_pq(x，y)＝2·Λ_pq(x，y)·k₀

Λ_pq(x，y)＝n_pq·z_pq(x，y)

φ_pq，z_pq和n_pq分别为面p与面q(p，q＝1，2，3)反射光之间的相位差，距离和折射率；f_pq为面p与面q反射光之间的干涉频率；Λ_pq为面p与面q之间的光程差；(x，y)为被测零件表面轮廓的空间坐标。

3)半导体激光器(2)输出光的波数在线监测：三个干涉面分别为光楔(7)的前后表面S₁、S₂和被测曲面S₃。其中光楔(7)的前表面S₁和后表面S₂彼此线性倾斜，用于监测半导体激光器(2)输出光的波数。单幅三表面干涉图像经二维傅立叶变换后，得到幅频和相频图；对于每幅干涉图像均作上述处理，在非直流分量的峰值频率处提取相角，得到对应每个波数下光楔(7)前后表面干涉的卷绕相位；通过解卷绕运算，得到每个波数下光楔(7)干涉信号的解卷绕相位φ^uw ₁₂(t)，离散化后为φ^uw ₁₂(n)，得到波数扫描干涉的波数序列k(n)：

$k\left(n\right)=\frac{{{\mathrm{\φ}}^{\mathrm{uw}}}_{12}\left(n\right)}{2\·{\mathrm{\Λ}}_{120}}(n=1,......,N)$

其中Λ₁₂₀为光楔(7)前后表面在x＝0mm，y＝0mm处的光程，N为CCD相机(8)在波数扫描中拍摄图像的总数目。

4)利用随机采样离散傅立叶变换获取被测零件(6)表面的三维轮廓：CCD相机(8)上拍摄的三表面干涉图像光强序列的随机采样离散傅里叶变换为

$\tilde{I}(x,y,f)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}I(x,y,k\left(n\right))\·w\left(k\left(n\right)\right)\·\exp [-j\·2\mathrm{\πf}\·k\left(n\right)]$

其中w()为波数扫描过程中采样的窗口函数。

将图像各个像素点的干涉光强序列进行随机采样离散傅立叶变换后，幅频特性上有3个峰值，分别对应为光楔(7)前后表面S₁和S₂干涉、S₁和被测曲面S₃干涉、S₂和S₃干涉。由于光楔(7)的前表面S₁是平整的，其平整度＜λ/20，因此图像各个像素点的光楔(7)前表面S₁和被测曲面S₃干涉峰值对应的卷绕相位φ₁₃(x，y)包含被测曲面S₃高度信息。将光楔(7)前表面S₁和被测曲面S₃干涉的卷绕相位解卷绕后，就可得到被测曲面S₃的三维轮廓信息：

$z_{13}(x,y)=\frac{{{\mathrm{\φ}}^{\mathrm{uw}}}_{13}(x,y)}{2\·k_0}$

其中φ^uw ₁₃(x，y)为光楔(7)前表面S₁和被测曲面S₃干涉的解卷绕相位图；z₁₃(x，y)为光楔(7)前表面S₁和被测曲面S₃之间的高度差。由于光楔(7)的前表面S₁平整且严格垂直z方向，Δz₁₃(x，y)＝Δz₃(x，y)，后者就是被测零件(6)的曲面三维轮廓。