CN110617779A - 一种高精度表面形貌测量机的传感器灵敏度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度表面形貌测量机的传感器灵敏度测量方法，该测量方法利用准直光束经过非球面反射到透镜光路的原理，推导出利用曲率半径计算灵敏度的公式并实现测量传感器的灵敏度。本方案鉴于现有复光束角度传感器灵敏度测量方法出现的步骤繁琐，精确度低，抗干扰能力差等问题，提供一种操作简单，耗时短，抗干扰能力强的传感器灵敏度测量方法对MBAS进行精确测量，使其精度可以达到理论精度，提高形貌光学测量系统的可靠性和精确性。

Description

一种高精度表面形貌测量机的传感器灵敏度测量方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种高精度表面形貌测量机的传感器灵敏度测量方法。

背景技术

随着微系统制造的小型化和模块化的发展，人们对提高高精度小尺寸产品制造效率的需求也急剧增加。人们对于机械产品或者各类工业产品的表面轮廓、表面质量、尺寸、粗糙度等的要求越来越高，要求测量仪器的精度要求也越来越高。

高精密表面形貌光学测量系统，即复光束角度传感器(Mult-beam angle sensor，以下简称MBAS)的出现克服了传统测量技术精度低，效率低等问题，其理论精度可以达到很高，但在实际应用中并无法达到理论的精度，这源于其灵敏度的检测精度达不到理论要求，而传统的测量方式已无法适合复光束传感器，现有的检测方案也存在诸多问题，如测量板四点测量，其方法步骤繁琐，且测量板的角度问题会造成误差，四个标志点范围之外的点也存在较大误差；比较常用的整体法测量微透镜阵列误差对透镜个体差别无法测量，易引起的图像畸变和局部降质。

因此，现有技术需要进一步改进和完善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高精度表面形貌测量机的传感器灵敏度测量方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种高精度表面形貌测量机的传感器灵敏度测量方法，该测量方法主要包括如下具体步骤：

步骤S1：激光束经曲率半径为R的非球面反射，其中入射光与反射光之间的夹角为2α，再由焦距为f的透镜聚焦。设透镜的点阵间距为d，透镜与非球面之间的距离为k，两个透镜接触点切平面到入射光与非球面交点位置的距离为c。

步骤S2：入射角α可用透镜间距d和曲率半径R表示为：

步骤S3：根据光学不变量，由几何关系可得透镜间距d为：

步骤S4：由等式(1)和(2)可得两个透镜接触点切平面到入射光与非球面交点位置的距离c为：

步骤S5：由几何关系可得光斑中点A和光斑中点B之间的间距d_RAB为：

步骤S6：由方程(3)和(4)可得出透镜间距d和光斑间距d_RAB之差Δd_AB为：

步骤S7：由方程(5)可得：

步骤S8：式中，W_AB为MBAS在点A和点B之间的灵敏度；可采用两种独立的计算方法计算灵敏度，具体公式描述如下：

W_AB＝(f_A+f_B)d (7)

W_AB＝(R+2k)Δd_AB (8)。

作为本发明的优选方案，所述步骤S8中的第一种方法是使用平面镜和倾斜台配合测量MBAS的灵敏度：为了确定MBAS的灵敏度，选择测量点并精确调整指定角度。利用公式(7)，只需测量两个点的焦距f和两个点之间的透镜间距d则可计算灵敏度W：

步骤S811：l为支点与观测点之间的距离，h为倾斜阶段的位移，t为倾斜角，则倾斜角t可表示为：

步骤S812：MBAS的灵敏度可表示为：

式中，p表示倾角t与MBAS的灵敏度W_AB之比；

步骤S813：由(9)和(10)可得出MBAS的灵敏度W_AB表示如下：

步骤S814：透镜的焦距f可表示为：

步骤S815：由(11)和(12)可得出透镜的焦距f表示如下：

式中d_s为CMOS的敏感区范围长度；比值p可根据平面镜的标定实验通过多次重复测量求平均值计算出，由此可以计算出焦距f；

步骤S816：根据式(14)计算出透镜的间距d；

d＝(d_A-d_B)d_s (14)

步骤S817：利用焦距f和透镜间距d通过式(7)计算得到MBAS在点A和点B之间的灵敏度W_AB。

作为本发明的优选方案，其特征在于，所述步骤S8中的第二种方法是使用圆柱平凸透镜配合测量MBAS的灵敏度：利用公式(8)，只需测量差分间距Δd_AB和(R+2k)则可计算灵敏度W_AB：

步骤S821：计算差分间距Δd_AB：差分间距和两点角差之间的关系可表示为：

式中两点角差Δc_ab可由MBAS直接测得；

步骤S822：重复测量(R+2k)多次求平均值；

步骤S823：利用曲率半径R和差分间距Δd_AB通过式(8)计算得到灵敏度W_AB。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的高精度表面形貌测量机的传感器灵敏度测量方法所使用的装置结构简单，且便于操作，抗干扰能力强。

(2)本发明所提供的高精度表面形貌测量机的传感器灵敏度测量方法根据所测实验数据，本方案所测传感器灵敏度误差小于0.5％，使MBAS能够达到数十纳米的绝对精度。

(3)本发明所提供的高精度表面形貌测量机的传感器灵敏度测量方法还具有所需计算量很小、周期短、成本低的优点。

附图说明

图1是本发明所提供的透镜与非球面的距离k的关系示意图。

图2是本发明所提供的传感器灵敏度测量原理图。

图3是本发明所提供的高精度表面形貌测量机的传感器灵敏度测量方法的流程图。

图4是本发明所提供的复光束角度传感器的结构及原理示意图。

上述附图中的标号说明：

1-半导体激光器，2-第一滤光板，3-准直透镜，4-第二滤光板，5-分束器，6-柱透镜，7-小型非球面体，8-微透镜阵列，9-CMOS相机，10-凸透镜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图4所示，利用MBAS可以测量几十微米的平面度，重复性可达几十纳米。一些平面度测量结果也表明，当灵敏度W小于0.5％时，MBAS可以在几十纳米的绝对精度下测量平面度。因此，通过对MBAS灵敏度的精确测量，是测量高精度工件的重要前提。

一.灵敏度计算公式推导：

如图1所示，激光束经曲率半径为R的非球面反射(入射光与反射光之间的夹角为2α)，再由焦距为f的透镜聚焦。假设透镜的点阵间距为d，透镜与非球面之间的距离为k，两个透镜接触点切平面到入射光与非球面交点位置的距离为c。

入射角α可用透镜间距d和曲率半径R表示为：

根据光学不变量，由图1中的几何关系可得透镜间距d为：

由等式(1)和(2)可得两个透镜接触点切平面到入射光与非球面交点位置的距离c为：

由图1中的几何关系可得光斑中点A和光斑中点B之间的间距d_RAB为：

由方程(3)和(4)可得出透镜间距d和光斑间距d_RAB之差Δ_dAB(差分间距)为：

因此，由方程(5)可得：

式中，W_AB为MBAS在点A和点B之间的灵敏度。

故，可以采用两种独立的计算方法计算灵敏度，其描述如下：

W_AB＝(f_A+f_B)d (7)

W_AB＝(R+2k)Δd_AB (8)。

二.灵敏度测量方法:

方法一：使用平面镜和倾斜台：

为了确定MBAS的灵敏度，第一种测量方法是通过倾斜台和高精度位移传感器，选择测量点并精确调整指定角度。利用公式(7)，只需测量两个点的焦距f和两个点之间的透镜间距d则可计算灵敏度W_AB。

步骤1：推导焦距f的计算公式：

如图2，l为支点与观测点之间的距离，h为倾斜阶段的位移，t为倾斜角。

倾斜角t(u rad)可表示为：

MBAS的灵敏度可表示为：

式中，p表示倾角t与MBAS的灵敏度W_AB之比。由(9)和(10)可得出MBAS的灵敏度W_AB(u rad/像素)表示如下：

透镜的焦距f(um)可表示为：

由(11)和(12)可得出透镜的焦距f(mm)表示如下：

式中d_S为CMOS的敏感区范围长度(为已知量)；比值p可根据平面镜的标定实验通过多次重复测量求平均值计算出。由此可以计算出焦距f。

步骤2，根据式(14)计算出透镜的间距d。

d＝(d_A-d_B)d_s (14)

步骤3，利用焦距f和透镜间距d通过式(7)计算得到MBAS在点A和点B之间的灵敏度W_AB。

方法二：使用圆柱平凸透镜：

另一种测量方法是基于使用圆柱平凸透镜(曲率半径R已知)测量角度差。利用公式(8)，只需测量差分间距Δd_AB和(R+2k)则可计算灵敏度W，图3为该测量方法的算法流程图。

步骤1：计算差分间距Δd_AB：

差分间距和两点角差之间的关系可表示为：

式中两点角差Δc_ab可由MBAS直接测得。

步骤2：重复测量(R+2k)多次求平均值。

步骤3：利用曲率半径R和差分间距Δd_AB通过式(8)计算得到灵敏度W_AB。

实施例2：

如图4所示，本实施例公开了一种复光束角度传感器，主要包括半导体激光器1、将激光聚焦到第一滤光板2上的针孔的凸透镜10、第一滤光板2、准直透镜3、第二滤光板4、分束器5、柱透镜6、微透镜阵列8、以及CMOS相机9。所述第一滤光板2上设有用于滤光的第一滤光孔，所述第二滤光板4上设有用于滤光的第二滤光孔。

具体的，所述半导体激光器1、凸透镜10、第一滤光板2、准直透镜3、第二滤光板4和分束器5自上而下依次同轴设置。激光从半导体激光器1射出并依次经过凸透镜10、第一滤光板2、准直透镜3、第二滤光板4后从分束器5的入射端射入，激光在分束器5发生反射并从反射端射出。所述柱透镜6设置在分束器5前方，与分束器5的反射端相对并将反射光线聚焦成光斑投射到小型非球面体7或平面镜上。所述微透镜阵列8和CMOS相机9依次设置在分束器5后方，且所述微透镜阵列8与分束器5的透射端相对并将从小型非球面体7或平面镜反射回来的光线聚焦照射在CMOS相机9上。

作为本发明的优选方案，所述第一滤光孔的孔径(直径)设为400微米。

作为本发明的优选方案，所述第二滤光孔的孔径(直径)设为4毫米。

本发明基于复光束角度检测角度差的原理，实现高精度和较大动态范围形貌检测，其光路成像原理可分为两部分：1)照明部分：半导体激光器1发出的激光通过凸透镜10、第一滤光板2，经准直透镜3准直后成为平行光，平行光再通过第二滤光板4，经分束器5反射、透射后，反射的光线经过柱透镜6聚焦成一个光斑，再将光斑聚焦投射到小型非球面体7或平面镜上；2)成像部分：光线从小型非球面或平面镜上反射后再次透过分束器5，使光线聚集在微透镜阵列8，聚焦照射到CMOS相机9的像平面上，完成CMOS相机9的图像采集。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高精度表面形貌测量机的传感器灵敏度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：激光束经曲率半径为R的非球面反射，其中入射光与反射光之间的夹角为2α，再由焦距为f的透镜聚焦；设透镜的点阵间距为d，透镜与非球面之间的距离为k，两个透镜接触点切平面到入射光与非球面交点位置的距离为c；

步骤S2：入射角α可用透镜间距d和曲率半径R表示为：

步骤S3：根据光学不变量，由几何关系可得透镜间距d为：

步骤S4：由等式(1)和(2)可得两个透镜接触点切平面到入射光与非球面交点位置的距离c为：

步骤S5：由几何关系可得光斑中点A和光斑中点B之间的间距d_RAB为：

步骤S6：由方程(3)和(4)可得出透镜间距d和光斑间距d_RAB之差Δd_AB为：

步骤S7：由方程(5)可得：

步骤S8：式中，W_AB为MBAS在点A和点B之间的灵敏度；可采用两种独立的计算方法计算灵敏度，具体公式描述如下：

W_AB＝(f_A+f_B)d (7)

W_AB＝(R+2k)Δd_AB (8)。

2.根据权利要求1所述的高精度表面形貌测量机的传感器灵敏度测量方法，其特征在于，所述步骤S8中的第一种方法是使用平面镜和倾斜台配合测量MBAS的灵敏度：为了确定MBAS的灵敏度，选择测量点并精确调整指定角度；利用公式(7)，只需测量两个点的焦距f和两个点之间的透镜间距d则可计算灵敏度W：

步骤S811：l为支点与观测点之间的距离，h为倾斜阶段的位移，t为倾斜角，则倾斜角t可表示为：

步骤S812：MBAS的灵敏度可表示为：

式中，p表示倾角t与MBAS的灵敏度W_AB之比；

步骤S813：由(9)和(10)可得出MBAS的灵敏度W_AB表示如下：

步骤S814：透镜的焦距f可表示为：

步骤S815：由(11)和(12)可得出透镜的焦距f表示如下：

式中d_s为CMOS的敏感区范围长度；比值p可根据平面镜的标定实验通过多次重复测量求平均值计算出，由此可以计算出焦距f；

步骤S816：根据式(14)计算出透镜的间距d；

d＝(d_A-d_B)d_s (14)

步骤S817：利用焦距f和透镜间距d通过式(7)计算得到MBAS在点A和点B之间的灵敏度W_AB。

3.根据权利要求1所述的高精度表面形貌测量机的传感器灵敏度测量方法，其特征在于，所述步骤S8中的第二种方法是使用圆柱平凸透镜配合测量MBAS的灵敏度：利用公式(8)，只需测量差分间距Δd_AB和(R+2k)则可计算灵敏度W_AB：

步骤S821：计算差分间距Δd_AB：差分间距和两点角差之间的关系表示为：

式中两点角差Δc_ab可由MBAS直接测得；

步骤S822：重复测量(R+2k)多次求平均值；

步骤S823：利用曲率半径R和差分间距Δd_AB通过式(8)计算得到灵敏度W_AB。