CN110057313A - 一种自动激光聚焦形貌测量系统 - Google Patents

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张效栋
武光创
朱琳琳
房丰洲
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Tianjin University
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Tianjin University
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
    • G01B11/005—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines
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    • G—PHYSICS
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures

Abstract

本发明涉及一种自动激光聚焦形貌测量系统，用以对置于纳米三维位移机构上的测试工件的形貌进行测量，包括四象限探测器、柱面镜、非偏振分束立方体、衍射光栅、半导体激光二极管、压电陶瓷纳米位移器、显微物镜、纳米三维位移机构、信号调理电路、AD数据采集卡、工控机、压电陶瓷纳米位移器控制器和纳米三维位移台机构控制器；四象限探测器获取的聚焦误差信号输入到工控机；工控机通过分析聚焦误差信号利用压电陶瓷纳米位移器控制器控制压电陶瓷纳米位移器带动显微物镜在测试工件表面做垂直扫描，保证测试工件表面处于光路的聚焦位置，在连续测量过程中，获得测试工件的三维形貌。

Description

一种自动激光聚焦形貌测量系统
所属技术领域
本发明属于表面形貌质量检测装置技术领域，涉及一种自动激光聚焦形貌测量系统。
背景技术
随着机械、电子及光学工业的飞速发展，表面形貌对各类零部件与器件乃至整机性能的重要影响已受到广泛的重视。目前，普遍使用的机械触针式轮廓仪的测量速度较慢，触针对软质表面会造成微小划痕，因而难以满足在线检测及对精密表面的测量。为此，已有多种测量原理的表面形貌非接触测量方法，如光切法，各种原理的光触针和干涉显微镜，扫描电子显微镜以及扫描隧道显微镜等。目前，基于各种测量原理的非接触式测量系统得到迅速的发展，但存在体积大、复杂、昂贵等这些难以克服的问题。
聚焦探测技术利用像面的共轭特性来检测表征形貌，能够实现对微小位移的非接触测量和焦点检测，可实现对表面形貌的非接触、无损测量，并且有助于提高测量精度和速度，基于各种光学原理的光学探针式轮廓仪在工程应用和科学研究方面的使用日益广泛。为了降低系统结构复杂度及成本，本发明提出一种基于压电陶瓷位移器的自动聚焦跟踪测量系统，该系统实现了表面形貌探测，同时结合高分辨率自动跟踪的模式，以期改进现有聚焦式测量系统中的技术问题。可实现对表面形貌的无损测量和评定，并且还有助于提高测量精度和测量速度。
发明内容
本发明的目的是提供一种满足表面形貌的高精度和连续探测需求的自动激光聚焦形貌测量系统，对传统的DVD激光读数头进行改造，配合高精度的压电陶瓷纳米位移器与显微物镜，实现聚焦误差信号识别和跟踪，由高精度位移实现连续跟踪自动面形测量。本发明可突破传统非接触测试系统的局限性，具有体积小、成本低、测量操作方便等特点。技术方案如下：
一种自动激光聚焦形貌测量系统，用以对置于纳米三维位移机构上的测试工件的形貌进行测量，包括四象限探测器、柱面镜、非偏振分束立方体、衍射光栅、半导体激光二极管、压电陶瓷纳米位移器、显微物镜、纳米三维位移机构、信号调理电路、AD数据采集卡、工控机、压电陶瓷纳米位移器控制器和纳米三维位移台机构控制器；由半导体激光二极管发出入射光束通过衍射光栅、分光棱镜、显微物镜投射到测试工件的被测表面，反射后经显微物镜、非偏振分束立方体、柱面镜照射在四象限探测器上；四象限探测器获取的聚焦误差信号通过信号调理电路、AD数据采集卡输入到工控机；工控机通过分析聚焦误差信号利用压电陶瓷纳米位移器控制器控制压电陶瓷纳米位移器带动显微物镜在测试工件表面做垂直扫描，保证测试工件表面处于光路的聚焦位置，即聚焦误差信号在线性范围内的纵向坐标为，工控机记录保存压电陶瓷纳米位移器的位置坐标；工控机控制纳米三维位移机构进行连续栅线扫描，工控机根据聚焦误差信号判断测试工件的表面处于离焦时，即聚焦误差信号在线性范围内的纵向坐标不为，工控机通过压电陶瓷纳米位移器控制器控制压电陶瓷纳米位移器带动显微物镜垂直扫描，重新使得测试工件的表面处于聚焦状态，在连续测量过程中，保存纳米三维位移结构的坐标和测试工件聚焦位置时的压电陶瓷纳米位移器的坐标，获得测试工件的三维形貌。
本发明提供的自动聚焦测量系统。在曲面连续跟踪测量过程中，利用四象限探测器的线性范围，通过压电陶瓷纳米位移器驱动显微物镜作相应的调整运动，使投射到测试工件上的光斑始终聚焦在被测面上，计算机实时记录和保存多个聚焦位置时刻的纳米位移器的位置，也就间接获得了待测物体的轮廓信息。本发明通过对传统聚焦式激光测量系统的调整，突破传统的线性范围，扩展了聚焦式测量系统应用。本发明通过设计稳定的聚焦误差信号调理电路，降低了测量聚焦误差信号的噪声，提高了系统的灵敏度和稳定性，提升了系统的性能。本文发明的测量系统，实现了测量系统的小型化，实现了纳米级的垂直分辨率，配合纳米三维位移机构，可以实现工件纳米级三维形貌测量。
附图说明
图1：小型化自动激光聚焦形貌测量系统的原理示意图
具体实施方式
本发明对传统的DVD激光读数头进行改进，设计自动激光聚焦形貌测量系统，原理如图1所示，包括四象限探测器1、柱面镜2、非偏振分束立方体3、衍射光栅4、半导体激光二极管5、压电陶瓷纳米位移器6、显微物镜7、测试工件8、纳米三维位移机构9、信号调理电路10、AD数据采集卡11、工控机12、压电陶瓷纳米位移器控制器13、纳米三维位移机构控制器14；由半导体激光二极管发出入射光束通过衍射光栅4、分光棱镜3、显微物镜7投射到被测表面8，反射后经显微物镜7、非偏振分束立方体7、柱面镜2照射在四象限探测器1上。四象限探测器1获取的聚焦误差信号(FES)1通过信号调理电路10、AD数据采集卡11输入到工控机12。当入射光束会聚点高于被测工件表面即处于远焦状态时，V(FES)>0,反之，当入射光束焦点低于被测工件表面即处于近焦状态时，V(FES)<0。当聚焦状态时，V(FES)＝0。工控机12通过分析聚焦误差信号(FES)，利用压电陶瓷纳米位移器控制器13控制压电陶瓷纳米位移器7带动显微物镜7在测试工件8表面做垂直扫描，保证测试工件表面处于光路的聚焦位置，即聚焦误差信号(FES)15在线性范围内的纵向坐标为0，工控机12记录额保存下压电陶瓷纳米位移器的位置坐标。
针对超精密加工的机械零件、光学元器件等进行高精度面形轮廓测量，具体实施流程如下：
(1)对传统DVD激光读数头进行改进，搭建自动聚焦形貌测量系统。
(2)将测试工件放置在纳米三维位移机构载物台面上，启动纳米三维位移机构控制器，调整显微物镜与测试工件表面之间的平行度和垂直度；
(3)调节Z轴使显微物镜靠近表面工件，上下移动直到能够显示聚焦误差信号曲线。此时，开启压电陶瓷纳米位移器扫描模式，将自动寻找聚焦误差(FES)曲线上的聚焦零点，实现自动聚焦跟踪测量；
(4)工控机开启纳米三维位移机构扫描模式，按照螺旋线或者栅线方式对被测表面进行逐点扫描测量。
具体实施过程中，从四象限激光器出来的电信号通过信号调理电路、AD数据采集卡后，工控机得到聚焦误差信号(FES)曲线，自动聚焦跟踪实现了压电陶瓷纳米位移器随着被测面的高度变化而运动，使得显微物镜发出的激光始终聚焦在被测的物体表面。因此，压电陶瓷纳米位移器位置的连续变化反映了被测点高度的连续变化，配合三维位移结构可获取被测表面的三维形貌。

Claims (1)

1.一种自动激光聚焦形貌测量系统，用以对置于纳米三维位移机构上的测试工件的形貌进行测量，包括四象限探测器、柱面镜、非偏振分束立方体、衍射光栅、半导体激光二极管、压电陶瓷纳米位移器、显微物镜、纳米三维位移机构、信号调理电路、AD数据采集卡、工控机、压电陶瓷纳米位移器控制器和纳米三维位移台机构控制器；由半导体激光二极管发出入射光束通过衍射光栅、分光棱镜、显微物镜投射到测试工件的被测表面，反射后经显微物镜、非偏振分束立方体、柱面镜照射在四象限探测器上；四象限探测器获取的聚焦误差信号通过信号调理电路、AD数据采集卡输入到工控机；工控机通过分析聚焦误差信号利用压电陶瓷纳米位移器控制器控制压电陶瓷纳米位移器带动显微物镜在测试工件表面做垂直扫描，保证测试工件表面处于光路的聚焦位置，即聚焦误差信号在线性范围内的纵向坐标为，工控机记录保存压电陶瓷纳米位移器的位置坐标。工控机控制纳米三维位移机构进行连续栅线扫描，工控机根据聚焦误差信号判断测试工件的表面处于离焦时，即聚焦误差信号在线性范围内的纵向坐标不为，工控机通过压电陶瓷纳米位移器控制器控制压电陶瓷纳米位移器带动显微物镜垂直扫描，重新使得测试工件的表面处于聚焦状态，在连续测量过程中，保存纳米三维位移结构的坐标和测试工件聚焦位置时的压电陶瓷纳米位移器的坐标，获得测试工件的三维形貌。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110664369A (zh) * 2019-09-19 2020-01-10 哈尔滨工业大学 一种自适应共焦线扫描谐波显微成像方法及装置
CN111366088A (zh) * 2020-05-28 2020-07-03 嘉兴景焱智能装备技术有限公司 激光共聚焦测高系统及测高方法
CN111687544A (zh) * 2020-06-24 2020-09-22 南京工业职业技术学院 一种基于压电陶瓷精密位移的激光调阻方法
CN113091658A (zh) * 2021-04-12 2021-07-09 广东工业大学 一种基于面阵电荷耦合器件的激光衍射表面粗糙度轮廓仪
CN114485464A (zh) * 2022-01-24 2022-05-13 天津大学 一种大范围平面元件白光干涉快速测量方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07280555A (ja) * 1994-04-04 1995-10-27 Mitsutoyo Corp 合焦点型変位測定装置
US20100208242A1 (en) * 2009-02-12 2010-08-19 Consejo Nacional De Investigaciones Cientificas Y Tecnicas (Conicet) Method and apparatus for determining the thermal expansion of a material
CN103994722A (zh) * 2014-04-10 2014-08-20 浙江师范大学 基于自聚焦原理的光栅精密测量结构及测量方法
CN106840051A (zh) * 2017-03-05 2017-06-13 中国科学院上海光学精密机械研究所 电机位移平台运动平整度的非接触式测量装置及测量方法
CN108332679A (zh) * 2018-01-18 2018-07-27 中国科学院上海光学精密机械研究所 一种精密离焦检测装置及检测方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07280555A (ja) * 1994-04-04 1995-10-27 Mitsutoyo Corp 合焦点型変位測定装置
US20100208242A1 (en) * 2009-02-12 2010-08-19 Consejo Nacional De Investigaciones Cientificas Y Tecnicas (Conicet) Method and apparatus for determining the thermal expansion of a material
CN103994722A (zh) * 2014-04-10 2014-08-20 浙江师范大学 基于自聚焦原理的光栅精密测量结构及测量方法
CN106840051A (zh) * 2017-03-05 2017-06-13 中国科学院上海光学精密机械研究所 电机位移平台运动平整度的非接触式测量装置及测量方法
CN108332679A (zh) * 2018-01-18 2018-07-27 中国科学院上海光学精密机械研究所 一种精密离焦检测装置及检测方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
孙艳玲等: "基于聚焦探测法的非接触表面形貌测量仪的研究", 《计量技术》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110664369A (zh) * 2019-09-19 2020-01-10 哈尔滨工业大学 一种自适应共焦线扫描谐波显微成像方法及装置
CN111366088A (zh) * 2020-05-28 2020-07-03 嘉兴景焱智能装备技术有限公司 激光共聚焦测高系统及测高方法
CN111687544A (zh) * 2020-06-24 2020-09-22 南京工业职业技术学院 一种基于压电陶瓷精密位移的激光调阻方法
CN111687544B (zh) * 2020-06-24 2022-04-19 南京工业职业技术学院 一种基于压电陶瓷精密位移的激光调阻方法
CN113091658A (zh) * 2021-04-12 2021-07-09 广东工业大学 一种基于面阵电荷耦合器件的激光衍射表面粗糙度轮廓仪
CN114485464A (zh) * 2022-01-24 2022-05-13 天津大学 一种大范围平面元件白光干涉快速测量方法
CN114485464B (zh) * 2022-01-24 2022-12-27 天津大学 一种大范围平面元件白光干涉快速测量方法

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