CN112665524B - 一种基于数字全息的石英振梁加速度计摆片的三维形貌检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字全息的石英振梁加速度计摆片的三维形貌检测方法。该发明采用像面数字全息技术，获取摆片表面的全息图，利用参考全息图补偿高阶像差，对再现相位图进行解包裹运算，进而获得摆片表面的三维形貌。同时对挠性支撑结构采用双波长数字全息记录方法，分段测量挠性支撑结构的三维形貌，通过计算系统景深及轴向成像范围，多步再现，数字扩展景深，最后对各段测量结果曲面拟合，完成挠性支撑结构的三维重构。本发明因数据处理过程完全数字化，具有检测速度快、测量精度高、无损伤、三维面测量等优点，适用于多种加速度计摆片表面三维形貌检测，本发明可用于加速度计摆片的质量检测等。

Description

一种基于数字全息的石英振梁加速度计摆片的三维形貌检测 方法

技术领域

本发明涉及一种基于数字全息的石英振梁加速度计金属挠性摆片的三维形貌检测方法，可用于检测石英振梁加速度计金属挠性摆的残余变形量、表面平面度，以及挠性支撑结构的三维形貌。

背景技术

石英振梁加速度计是一种基于石英振梁力频特性的新型高精度固态传感器，直接输出频率正比于加速度大小的加速度计，在航空航天等领域有着广泛应用前景，摆片结构的加工精度直接制约着加速度计的整体性能，其中挠性支撑是加速度计零部件中加工难度较大、精度要求较高的部分，并且金属挠性摆在加工过程中因应力释放所产生的残余变形如摆舌翘曲，会影响石英振梁的力频特性，进而影响仪表的测量精度。目前常用的摆片三维形貌及平面度检测方法是接触式三坐标测量仪，但这种方法首先需要接触式测量，会对表面产生一定损伤，且不适合测量摆舌在重力下的翘曲量，其次面测量需要扫描机制，测量周期长。数字全息技术作为一种非接触式三维形貌测量方法，具有高精度、无损检测、单次曝光三维定量检测等特点，非常适用于高精密工业零件的三维形貌检测。

在数字全息图像获取过程中，为了重建金属挠性摆片的残余变形量及表面平面度，需要在无外力作用下测量，即摆舌不能受到重力的影响产生变形，因此摆片应安装在水平调整平台上，且垂直平台放置。此外，因加工精度及应力释放原因，会使摆片基准面与摆舌不共面，且摆片表面粗糙度低，测试光束经表面反射后近镜面反射，因此在传统的菲涅尔全息光路中，测量光束被反射后难以被探测器同时记录，进而导致重建图像模糊，分辨率降低，严重影响三维重建质量。在保证工作距离一定情况下，采用像面全息光路系统记录摆片表面的光场信息，同时采用大通光口径的消色差透镜，尽可能的接收被测表面的光场信息，由于采用了像面全息技术，引入的成像透镜不可避免的带来了波前像差，因此，需要在测量过程中还需对其进行精确补偿，此外，挠性支撑结构因视场小，纵向范围大，曲面结构原因，需单独设计数字全息显微光学系统搭配多波长数值再现技术，并结合景深扩展算法精确重建挠性支撑结构的三维形貌。

发明内容

本发明为了解决石英振梁加速度计挠性金属摆的表面质量检测问题，提出一种基于数字全息的石英振梁加速度计金属挠性摆三维形貌检测方法。基于数字全息技术，分别记录反射镜与摆片的全息图，以反射镜图像作为参考全息图以补偿成像透镜带来的波前误差，再对再现相位图像的基准面进行一阶补偿，矫正图像倾斜，对包裹相位图解包裹获得金属挠性摆表面的三维形貌；再采用双波长数字全息显微技术测量挠性支撑结构，最后，结合摆片表面测量结果与挠性支撑结构的三维形貌测量结果，对摆片质量进行检测判断。

本发明是一种基于数字全息的石英振梁加速度计金属挠性摆三维形貌检测方法，由于挠性支撑结构与摆片基准面及摆舌的面形特征差异明显，同一套测量系统难以同时满足两种结构的检测要求，因此将摆片的三维形貌测量过程分两部分：第一步，摆片表面的三维测量；第二步，挠性支撑结构的三维形貌测量。首先，在摆片表面平面度及残余变形的测量过程中，由于摆片基准面及摆舌表面存在光滑连续的特征，采用单波长像面数字全息方法即可精确重建表面三维形貌，由于引入像面全息技术，成像镜头会不可避免带来波前像差，因此需对其精确补偿，所以在测量过程中利用参考全息图对其初步补偿，再对补偿后再现相位图进一步补偿倾斜误差；其次，对于挠性支撑结构的三维形貌测量，因挠性支撑结构视场小、纵向范围大、曲面结构的特点，采用双波长数字全息显微测量方法，分别记录两种波长的数字全息图，数值重建合成波长相位图，其中，因挠性支撑结构纵向范围大于系统景深，且反射光动态范围大，因此采用对挠性支撑结构分段测量方案，最后通过拟合重建挠性支撑结构的完整三维形貌。具体步骤如下：

第一步，记录表面三维形貌测量系统的参考全息图；以反射镜为被测物体，记录全息图作为参考全息，用来补偿成像透镜带来的波前像差。具体包括：

(1)调节水平放置平台，使照明光垂直照射反射镜；

(2)调节被测平台工作距离，使被测反射镜表面在成像面清晰成像；

(3)利用离轴像面全息系统记录参考全息图，同时数字再现，获得参考相位图。

第二步，检测摆片残余变形量及表面平面度，通过离轴像面全息光路记录摆片表面数字全息图：

由于金属挠性摆片的加工精度及质量要求较高，外力或振动的存在可能会引入微小形变，引入残余变形量中，因此为精确测量因加工过程应力释放所导致的残余变形及表面平面度，需要摆片在无外力作用下测量，为避免重力影响，在测量前需对摆片装调平台进行精密微调，使摆舌垂直自然朝下，再通过离轴全息系统记录摆片的离轴像面全息图，并对其进行数值计算获得表面三维形貌。具体包括以下几个步骤：

(1)调整摆片的安装平台，及光路系统的照明角度，使摆舌垂直水平面朝下放置，同时照明光垂直照射摆舌；

(2)记录摆片离轴全息图，对全息图傅里叶变换，在频域绘制掩膜提取+1级像，反傅里叶变换得到再现像的光场分布，进而得到再现相位图；

(3)像差补偿，结合步骤1记录的参考全息图，对摆片再现相位图的高阶像差进行相位补偿，同时，以基准面为水平面补偿倾斜像差；

(4)绘制ROI掩膜，在特征清晰的强度图上绘制ROI掩膜，提取摆片有效区域，再用该掩膜提取相位图的ROI；

(5)对绘制掩膜后的相位图像做相位解包裹运算，同时尺度换算，计算被测表面的绝对高度。

第三步，检测挠性支撑结构的三维形貌：

石英振梁加速度计由于采用双支撑结构，因此两个挠性支撑结构的对称性会对加速度计的工作性能产生重要影响，由于挠性支撑结构尺寸小，两个支撑结构间距大于自身尺寸，同一视场难以同时检测双梁结构，所以，采用逐个精确测量方案，同时因表面动态范围大，对挠性支撑结构按照表面特征分段测量，最后，将各段测量结果拟合一起，构成整个挠性支撑结构的三维形貌。具体步骤如下：

(1)记录双波长数字全息显微系统参考全息图；

(2)计算显微系统景深；

(3)计算挠性支撑结构纵向范围，同时根据系统放大倍数计算挠性支撑像的轴向范围；

(4)根据景深大小，将挠性支撑圆弧结构分成三部分，分别是圆弧中心，圆弧前端和圆弧末端，其中圆弧中心纵向范围小于景深，圆弧两端纵向范围超过景深；

(5)采用双波长数字全息显微系统分别记录三段圆弧的全息图；其中在三段结构测量过程中，保持光路不变，平移圆弧；

(6)对三段圆弧的双波长数字全息图数值再现，同时利用参考全息图补偿高阶像差；

(7)依据相位噪声，扩展景深，高斯拟合计算合成波长相位图；

(8)圆弧结构拼接；将三段圆弧相位信息拟合成完整的挠性支撑结构，同时将相位信息转化为实际高度。

本发明的优点在于：

(1)相较于传统的接触式三坐标仪测量，本发明利用数字全息技术，不仅数据获取简单易存储，无损伤探测，三维面测量，并且其测量速度快，分辨率高，精度高；

(2)由于数字全息技术的数据处理全过程数字化，在数字再现的过程中可以光学系统误差进行校正，从而得到三维形貌的准确相位分布，测量过程中，操作简单，结果展示直观，且算法运行简单、高效；

(3)利用数字全息技术单次曝光获取表面形貌的特点，从而能够实现摆片的原位动态测量。

(4)因为获取的是挠性支撑结构完整表面的三维形貌，因此可以精确计算挠性支撑结构的曲率变化，及挠性支撑结构在冲压前后的三维形貌变化。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于数字全息石英振梁加速度计金属挠性摆片的三维形貌检测方法，首先通过离轴数字全息光路获取两种测量系统的参考全息图，再分别记录摆片表面的单波长数字全息图，以及挠性支撑结构的双波长数字全息图，分别再现，对再现相位图进行像差补偿和图像校正，最后根据合成波长相位计算公式得到合成波长的挠性支撑结构的三维形貌，包括以下几个步骤：

具体步骤如下：

第一步，分别记录两种测量系统的参考全息图；以反射镜为被测物体，记录全息图作为参考全息，用来补偿成像透镜带来的波前像差。具体包括：

(1)调节水平放置平台，使照明光垂直照射反射镜；

(2)调节被测平台工作距离，使被测反射镜表面在成像面清晰成像；

(3)利用离轴像面全息系统记录当前全息图，同时数字再现，获得参考相位图。

第二步，检测摆片残余变形量及表面平面度，通过离轴像面全息光路记录摆片的数字全息图：

由于金属挠性摆片的加工精度及质量要求较高，外力或振动的存在可能会引入微小形变，引入残余变形量中，因此为精确测量因加工过程应力释放所导致的残余变形及表面平面度，需要摆片在无外力作用下测量，为避免重力影响，在测量前需对摆片装调平台进行精密微调，使摆舌垂直自然朝下，再通过离轴全息系统记录摆片的离轴像面全息图，并对其进行数值计算获得表面三维形貌。具体包括以下几个步骤：

(1)调整摆片的安装平台，及光路系统的照明角度，使摆舌垂直水平面朝下放置，同时照明光垂直照射摆舌；

(2)记录摆片离轴全息图，对全息图傅里叶变换，在频域绘制掩膜提取+1级像，反傅里叶变换得到再现像的光场分布；

(3)像差补偿，结合步骤一记录的参考全息图，对摆片再现相位图的高阶像差进行相位补偿，同时，以基准面为水平面补偿倾斜相位误差；

(4)以再现强度图为样品，绘制ROI掩膜，提取摆片有效区域，再用该掩膜提取相位图的ROI；

(5)对绘制掩膜后的相位图像做相位解包裹运算，同时尺度换算，计算被测表面的绝对高度。

第三步，检测挠性支撑结构的三维形貌：

石英振梁加速度计由于采用双支撑结构，因此两个挠性支撑结构的对称性会对加速度计的工作性能产生重要影响，由于挠性支撑结构尺寸小，两个支撑结构间距大于自身尺寸，同一视场难以同时检测双梁结构，所以，采用逐个精确测量方案，同时因表面动态范围大，对挠性支撑结构按照表面特征分段测量，最后，将各段测量结果拟合一起，构成整个挠性支撑结构的三维形貌。具体步骤如下：

(1)计算显微系统景深；

(2)计算挠性支撑结构纵向范围，同时根据系统放大倍数计算挠性支撑像的轴向范围；

(3)根据景深大小，将挠性支撑圆弧结构分成三部分，分别是圆弧中心，圆弧前端和圆弧末端，其中圆弧中心纵向范围小于景深，圆弧两端纵向范围超过景深；

(4)采用双波长数字全息显微系统分别记录三段圆弧的全息图；其中在三段结构测量过程中，保持光路不变，平移圆弧；

(5)对三段圆弧的双波长数字全息图数值再现，同时利用参考全息图补偿高阶像差；

(6)依据相位噪声，扩展景深，曲面拟合计算合成波长相位图；

(7)圆弧结构拼接；将三段圆弧相位信息拟合成完整的挠性支撑结构，同时将相位信息转化为实际高度。

通过上述数字全息三维形貌检测技术可以直接获得加速度计摆片的表面三维形貌，进而得到表面平面度及因加工应力导致的表面微形变，同时可以精确获得摆片关键部位挠性支撑结构的三维形貌，为判断摆片质量提供了重要的判断依据。

所述方法适用于石英振梁加速度计分体式挠性金属摆片、一体式石英摆片、以及石英挠性加速度计石英摆片的三维形貌检测。

Claims (1)

1.一种基于数字全息的石英振梁加速度计摆片的三维形貌检测方法，包括以下几个步骤：

第一步，分别记录两种测量系统的参考全息图，其特征在于：以反射镜为被测物体，记录全息图作为参考全息，具体包括：

(1)调节水平放置平台，使照明光垂直照射反射镜；

(2)调节被测平台工作距离，使被测反射镜表面在成像面清晰成像；

(3)利用离轴像面全息系统记录参考全息图，同时数字再现，获得参考相位图；

第二步，检测摆片残余变形量及表面平面度，通过离轴像面全息光路记录摆片的数字全息图，其特征在于：单次曝光记录摆片表面的三维形貌，具体包括以下几个步骤：

(1)调整安装平台，及光路系统的照明角度，使摆舌垂直水平面朝下放置，同时照明光垂直照射摆舌；

(2)记录摆片的离轴全息图，对全息图傅里叶变换，在频域绘制掩膜提取+1级像，反傅里叶变换得到再现像的光场分布；

(3)像差补偿，结合步骤一记录的参考全息图，对摆片的再现相位图的高阶像差进行相位补偿，同时，以基准面为水平面补偿倾斜相位；

(4)以再现强度图为样品，绘制ROI掩膜，提取摆片强度图的有效区域，再用该掩膜提取相位图的ROI；

(5)对绘制掩膜后的相位图像做相位解包裹运算、尺度换算，计算被测表面的绝对高度

第三步，检测挠性支撑结构的三维形貌，其特征在于：双波长记录、分段测量、景深扩展、曲面拟合，具体步骤如下：

(1)计算显微系统景深；

(2)计算挠性支撑结构纵向范围，同时根据系统放大倍数计算挠性支撑结构像的轴向范围；

(3)根据景深大小，将挠性支撑圆弧结构分成三部分，分别是圆弧中心，圆弧前端和圆弧末端，其中圆弧中心纵向范围小于景深，圆弧两端纵向范围超过景深；

(4)采用双波长数字全息显微系统分别记录三段圆弧的全息图，其中在测量过程中，保持光路不变，平移圆弧；

(5)对三段圆弧的双波长数字全息图数值再现，同时利用参考全息图补偿高阶像差；

(6)依据相位噪声，扩展景深，曲面拟合计算合成波长相位图；

(7)圆弧结构拼接；将三段圆弧相位信息拟合成完整的挠性支撑结构，同时将相位信息转化为实际高度。

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