CN111336946A - 基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的装置与方法 - Google Patents

基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的装置与方法，采用圆锥透镜产生无衍射光束，再用放于圆筒内的分束镜将光线反射到被测工件内壁。工件内壁的反射光线与反射镜的反射光线形成的光程差进而产生干涉现象，再通过信号处理系统进行数据的采集和处理。由于圆筒内壁表面形貌不可能绝对光滑，存在凹凸不平的起伏，这使光程差发生变化，导致干涉图样发生弯曲变形，则可通过弯曲量计算得到该处表面形貌的起伏程度，进而表征圆筒内壁表面的光整程度。本发明无需旋转工件，只需将工件轴向进给即可得到整个工件内壁的表面形貌，具有操作简单、误差小、效率高等优点。

Description

基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的装置与方法
技术领域
本发明属于表面形貌测量领域，具体涉及基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的装置与方法，利用激光干涉测量表面形貌的装置，用于对圆筒形件内壁表面形貌的测量。
背景技术
干涉测量即利用两路光波组合到一起时，相互叠加和抵消的结果在屏幕上出现明暗相间条纹的现象。如果被测工件内壁形貌改变，反射回的光路就改变，从而改变了两路光波相互之间的相位关系，光波的干涉条纹也会引起变化。利用这个原理，就可以由这个变化测出表面形貌的偏移程度。
目前的圆桶形工件内壁形貌测量装置大多以旋转工件并沿轴向移动，依次扫描整个圆腔内壁表面的方法。但由于工件需要旋转，存在机械振动、圆度误差等问题，对于测量的精度有较大影响。同时，对于较长的工件逐次扫描存在工作量大，测量时间长等局限。
发明内容
针对以上实际需求以及目前对于圆筒形件内壁表面形貌测量方法的技术问题和不足，本发明提出一种基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的装置与方法，采用圆锥透镜产生无衍射光束，再用放于圆筒内的分束镜将光线反射到被测工件内壁。工件内壁的反射光线与反射镜的反射光线形成的光程差进而产生干涉现象，再通过信号处理系统进行数据的采集和处理。由于圆筒内壁表面形貌不可能绝对光滑，存在凹凸不平的起伏，这使光程差发生变化，导致干涉图样发生弯曲变形，则可通过弯曲量计算得到该处表面形貌的起伏程度，进而表征圆筒内壁表面的光整程度。
具体的技术方案为：
基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的装置，主要包括无衍射光束生成模块、分束光路模块、干涉光产生模块、光电探测与数据处理模块；
所述的无衍射光束生成模块包括激光器、准直扩束器、圆锥透镜；准直扩束器、圆锥透镜依次安装在激光器的光路上；激光器发出波长为λ的单波长激光，由准直扩束器准直扩束，再经圆锥透镜产生无衍射光束；
所述的分束光路模块包括分束镜，分束镜位于圆锥透镜的光路上，分束镜将圆锥透镜射出的光路分成两束光路，均射到干涉光产生模块；
所述的干涉光产生模块包括反射镜、圆锥反射镜、被测工件；分束镜的第一束光路为反射光路，第一束光路上设有圆锥反射透镜，被测工件设在圆锥反射透镜的反射光路上，被测工件与圆锥反射透镜同轴安装；被测工件漫反射光线沿原路返回，依次经过圆锥反射透镜、分束镜；分束镜分出的第二束光路为透射光路，第二束光路上设有反射镜，反射镜反射回的光路经过分束镜再反射后的光路上设有光电探测与数据处理模块；
所述的光电探测与数据处理模块包括光电探测器、信号处理系统；光电探测器位于分束镜反射和透射的光路上；光电探测器接收干涉图样信息，信号处理系统将干涉信号转换为电信号，并经滤波、放大和隔直之后输出，供进一步采集、分析和显示。
进一步的，激光器发出的光路为水平；分束镜与反射镜的夹角为45°，分束镜平面的法向与圆锥反射透镜的轴线夹角为45°。
优选的，还设有用于被测工件与圆锥反射透镜同轴设置的校准装置。
具体的，所述的校准装置，包括CCD图像传感器，所述的圆锥反射镜为圆台形状结构，圆锥反射镜的顶面为光线射入面，CCD图像传感器设在圆锥反射镜底面射出光路上。
或者，校准装置包括铅垂线和倾角仪；用铅垂线作参照将由分束镜入射圆锥反射镜的光线调至竖直，倾角仪设在被测工件上，被测工件上放置一个圆环形的标靶。
本发明还提供基于上述装置的基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的方法，包括以下过程：
激光器发出单波长激光由准直扩束器准直扩束，再经圆锥透镜生成无衍射光束，生成的无衍射光束被放于圆筒内的分束镜分成两束，第一束光路被反射到底部的圆锥反射透镜，经圆锥反射透镜再反射至被测工件内壁；第二束光路射向反射镜；被测工件内壁由于漫反射光线会沿原路返回，反射回来的光线经圆锥反射透镜反射回分束镜上与反射镜反射回来的光线在光电探测器上形成光程差进而产生干涉现象，在光电探测器接收之后，再通过信号处理系统进行数据的采集和处理；由于被测工件内壁的表面不可能绝对光滑，存在凹凸不平的起伏，使光程差发生改变，导致干涉图样发生弯曲变形，则可通过弯曲量计算得到被测工件表面形貌的起伏程度，进而表征内壁表面的光整程度。
进一步的还包括被测工件与圆锥反射透镜同轴设置的校准的方法，方法有两种：
(一)将圆锥反射镜的顶角去掉，形成圆台，光线从圆台顶面进入然后到达CCD图像传感器，CCD图像传感器采集图像数据，利用图像处理算法判断图像是否为圆环形；若圆锥反射镜倾斜放置，则CCD图像传感器采集的图像为椭圆形，调节圆锥反射镜或被测工件的位置，使CCD图像传感器采集到的图像为圆环形以保证圆锥反射镜的轴线与被测工件轴线平行；在此基础上平移圆锥反射镜或被测工件使圆环的圆心与CCD图像传感器的中心重合，此时圆锥反射镜的轴线与工件的轴线重合。
(二)用挂有重物的铅垂线作参照将分束镜入射圆锥反射镜的光线，再用倾角仪调节被测工件的倾角以保证被测工件保持竖直，则可保证两者轴线平行；在被测工件上放置一个圆环形的标靶，使标靶与被测工件同心；调节圆锥反射镜的位置，使圆锥反射镜顶端的射入的光线所形成的圆环的圆心与标靶同心以保证圆锥反射镜的轴线与被测工件的轴线重合。
本发明提供的基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的装置与方法，无需旋转工件，只需将工件轴向进给即可得到整个工件内壁的表面形貌，具有操作简单、误差小、效率高等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的检测光线示意图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体技术方案。
如图1所示，基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的装置，主要包括无衍射光束生成模块、分束光路模块、干涉光产生模块、光电探测与数据处理模块；还包括光学隔振平台、各种支撑附属杆件等。
所述的无衍射光束生成模块包括激光器1、准直扩束器2、圆锥透镜3；准直扩束器2、圆锥透镜3依次安装在激光器1的光路上；激光器1发出波长为λ的单波长激光，由准直扩束器2准直扩束，再经圆锥透镜3产生无衍射光束；
所述的分束光路模块包括分束镜6，分束镜6位于圆锥透镜3的光路上，分束镜6将圆锥透镜3射出的光路分成两束光路，均射到干涉光产生模块；
所述的干涉光产生模块包括反射镜5、圆锥反射镜10、被测工件7；分束镜6的第一束光路为反射光路，第一束光路上设有圆锥反射透镜10，被测工件7设在圆锥反射透镜10的反射光路上，被测工件7与圆锥反射透镜10同轴安装；被测工件7漫反射光线沿原路返回，依次经过圆锥反射透镜10、分束镜6；分束镜6分出的第二束光路为透射光路，第二束光路上设有反射镜5，反射镜5反射回的光路经过分束镜6再反射后的光路上设有光电探测与数据处理模块；
所述的光电探测与数据处理模块包括光电探测器4、信号处理系统；光电探测器4位于分束镜6反射和透射的光路上；光电探测器4接收干涉图样信息，信号处理系统将干涉信号转换为电信号，并经滤波、放大和隔直之后输出，供进一步采集、分析和显示。信号处理系统处理含转速的多普勒电信号以及瞬时转速的输出中断。
激光器1发出的光路为水平；分束镜6安装时需保证：(一)分束镜6平面的法向与圆锥反射镜10的轴线夹角为45°，以使被测工件7内壁反射回的光线能原向返回；(二)分束镜6与反射镜5的夹角为45°，以使反射镜5反射的光线能原向返回，并与圆锥反射镜10的反射光线形成干涉。
还设有用于被测工件7与圆锥反射透镜10同轴设置的校准装置。
所述的校准装置，包括CCD图像传感器9，所述的圆锥反射镜10为圆台形状结构，圆锥反射镜10的顶面为光线射入面，CCD图像传感器9设在圆锥反射镜10底面射出光路上。
或者，校准装置包括铅垂线和倾角仪8；用铅垂线作参照将由分束镜6入射圆锥反射镜10的光线调至竖直，倾角仪8设在被测工件7上，被测工件7上放置一个圆环形的标靶。
被测工件7与圆锥反射透镜10同轴设置的校准的方法有两种：
(一)将圆锥反射镜10的顶角去掉，形成圆台，光线从圆台顶面进入然后到达CCD图像传感器9，CCD图像传感器9采集图像数据，利用图像处理算法判断图像是否为圆环形；若圆锥反射镜10倾斜放置，则CCD图像传感器9采集的图像为椭圆形，调节圆锥反射镜10或被测工件7的位置，使CCD图像传感器9采集到的图像为圆环形以保证圆锥反射镜10的轴线与被测工件7轴线平行；在此基础上平移圆锥反射镜10或被测工件7使圆环的圆心与CCD图像传感器9的中心重合，此时圆锥反射镜10的轴线与工件7的轴线重合。
(二)用挂有重物的铅垂线作参照将分束镜6入射圆锥反射镜10的光线，再用倾角仪8调节被测工件7的倾角以保证被测工件7保持竖直，则可保证两者轴线平行；在被测工件7上放置一个圆环形的标靶，使标靶与被测工件7同心；调节圆锥反射镜10的位置，使圆锥反射镜10顶端的射入的光线所形成的圆环的圆心与标靶同心以保证圆锥反射镜10的轴线与被测工件7的轴线重合。
基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的方法，包括以下过程：
激光器1发出单波长激光由准直扩束器2准直扩束，再经圆锥透镜3生成无衍射光束，生成的无衍射光束被放于圆筒内的分束镜6分成两束，第一束光路被反射到底部的圆锥反射透镜10，经圆锥反射透镜10再反射至被测工件7内壁；第二束光路射向反射镜5；被测工件7内壁由于漫反射光线会沿原路返回，反射回来的光线经圆锥反射透镜10反射回分束镜6上与反射镜5反射回来的光线在光电探测器4上形成光程差进而产生干涉现象，在光电探测器4接收之后，再通过信号处理系统进行数据的采集和处理；由于被测工件7内壁的表面不可能绝对光滑，存在凹凸不平的起伏，使光程差发生改变，导致干涉图样发生弯曲变形，则可通过弯曲量计算得到被测工件7表面形貌的起伏程度，进而表征内壁表面的光整程度。
根据光程差理论，如图2，计算被测工件7圆桶内壁形貌检测光路的光程，从入射光到达分束镜6开始算起，分别计算反射光线的光程S1和透射光线的光程S2：
S1＝L+2d+L+b＝b+2(d+L) (1)
S2＝2a+b (2)
所以光程差为:δ＝S1－S2＝b+2(d+L)－(2a+b)＝2(d+L－a)，上式中L为圆锥反射镜10上某点离分束镜6的距离，d为该点到被测工件7内壁的距离，a为分束镜6到反射镜5的距离，b为分束镜6到光电探测器4的距离。
根据干涉理论：定义激光的波长为λ，当k为正整数，若δ＝kλ时，干涉条纹为明纹；当δ＝(2k+1)λ/2时，干涉条纹为暗纹。被测工件7内壁表面由于凹凸不平而使d变为d+Δd，当内壁内凹时Δd为正，当内壁外凸时Δd为负。当内壁表面凹凸不平时，光程差的变化量为δ′＝2(d+Δd+L－a)，得光程差的改变量为δ′－δ＝2Δd，进而可得光程差的改变量引起的相位差为
Figure BDA0002479643600000052
两相邻干涉圆环的间距为λ/2n，其对应的角度为2π，则
Figure BDA0002479643600000053
所对应的偏移量为
Figure BDA0002479643600000051
故通过分析检测到的干涉条纹的偏移量即可得到被测工件7内壁的表面形貌特征。

Claims (9)

1.基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的装置，其特征在于，主要包括无衍射光束生成模块、分束光路模块、干涉光产生模块、光电探测与数据处理模块；
所述的无衍射光束生成模块包括激光器(1)、准直扩束器(2)、圆锥透镜(3)；准直扩束器(2)、圆锥透镜(3)依次安装在激光器(1)的光路上；激光器(1)发出波长为λ的单波长激光，由准直扩束器(2)准直扩束，再经圆锥透镜(3)产生无衍射光束；
所述的分束光路模块包括分束镜(6)，分束镜(6)位于圆锥透镜(3)的光路上，分束镜(6)将圆锥透镜(3)射出的光路分成两束光路，均射到干涉光产生模块；
所述的干涉光产生模块包括反射镜(5)、圆锥反射镜(10)、被测工件(7)；分束镜(6)的第一束光路为反射光路，第一束光路上设有圆锥反射透镜(10)，被测工件(7)设在圆锥反射透镜(10)的反射光路上，被测工件(7)与圆锥反射透镜(10)同轴安装；被测工件(7)漫反射光线沿原路返回，依次经过圆锥反射透镜(10)、分束镜(6)；分束镜(6)分出的第二束光路为透射光路，第二束光路上设有反射镜(5)，反射镜(5)反射回的光路经过分束镜(6)再反射后的光路上设有光电探测与数据处理模块；
所述的光电探测与数据处理模块包括光电探测器(4)、信号处理系统；光电探测器(4)位于分束镜(6)反射和透射的光路上；光电探测器(4)接收干涉图样信息，信号处理系统将干涉信号转换为电信号，并经滤波、放大和隔直之后输出，供进一步采集、分析和显示。
2.根据权利要求1所述的基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的装置，其特征在于，所述的激光器(1)发出的光路为水平；分束镜(6)与反射镜(5)的夹角为45°，分束镜(6)平面的法向与圆锥反射透镜(10)的轴线夹角为45°。
3.根据权利要求1所述的基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的装置，其特征在于，还设有用于被测工件(7)与圆锥反射透镜(10)同轴设置的校准装置。
4.根据权利要求3所述的基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的装置，其特征在于，所述的校准装置，包括CCD图像传感器(9)，所述的圆锥反射镜(10)为圆台形状结构，圆锥反射镜(10)的顶面为光线射入面，CCD图像传感器(9)设在圆锥反射镜(10)底面射出光路上。
5.根据权利要求3所述的基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的装置，其特征在于，所述的校准装置，包括铅垂线和倾角仪(8)；用铅垂线作参照将由分束镜(6)入射圆锥反射镜(10)的光线调至竖直，倾角仪(8)设在被测工件(7)上，被测工件(7)上放置一个圆环形的标靶。
6.基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的方法，其特征在于，采用权利要求1到5任一项所述的基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的装置，包括以下过程：
激光器(1)发出单波长激光由准直扩束器(2)准直扩束，再经圆锥透镜(3)生成无衍射光束，生成的无衍射光束被放于圆筒内的分束镜(6)分成两束，第一束光路被反射到底部的圆锥反射透镜(10)，经圆锥反射透镜(10)再反射至被测工件(7)内壁；第二束光路射向反射镜(5)；被测工件(7)内壁由于漫反射光线会沿原路返回，反射回来的光线经圆锥反射透镜(10)反射回分束镜(6)上与反射镜(5)反射回来的光线在光电探测器(4)上形成光程差进而产生干涉现象，在光电探测器(4)接收之后，再通过信号处理系统进行数据的采集和处理；由于被测工件(7)内壁的表面不可能绝对光滑，存在凹凸不平的起伏，使光程差发生改变，导致干涉图样发生弯曲变形，则可通过弯曲量计算得到被测工件(7)表面形貌的起伏程度，进而表征内壁表面的光整程度。
7.根据权利要求6所述的基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的方法，其特征在于，还包括被测工件(7)与圆锥反射透镜(10)同轴设置的校准。
8.根据权利要求7所述的基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的方法，其特征在于，所述的被测工件(7)与圆锥反射透镜(10)同轴设置的校准方法，包括以下步骤：
将圆锥反射镜(10)的顶角去掉，形成圆台，光线从圆台顶面进入然后到达CCD图像传感器(9)，CCD图像传感器(9)采集图像数据，利用图像处理算法判断图像是否为圆环形；若圆锥反射镜(10)倾斜放置，则CCD图像传感器(9)采集的图像为椭圆形，调节圆锥反射镜(10)或被测工件(7)的位置，使CCD图像传感器(9)采集到的图像为圆环形以保证圆锥反射镜(10)的轴线与被测工件(7)轴线平行；在此基础上平移圆锥反射镜(10)或被测工件(7)使圆环的圆心与CCD图像传感器(9)的中心重合，此时圆锥反射镜(10)的轴线与工件(7)的轴线重合。
9.根据权利要求7所述的基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的方法，其特征在于，所述的被测工件(7)与圆锥反射透镜(10)同轴设置的校准方法，包括以下步骤：
用挂有重物的铅垂线作参照将分束镜(6)入射圆锥反射镜(10)的光线，再用倾角仪(8)调节被测工件(7)的倾角以保证被测工件(7)保持竖直，则可保证两者轴线平行；在被测工件(7)上放置一个圆环形的标靶，使标靶与被测工件(7)同心；调节圆锥反射镜(10)的位置，使圆锥反射镜(10)顶端的射入的光线所形成的圆环的圆心与标靶同心以保证圆锥反射镜(10)的轴线与被测工件(7)的轴线重合。
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