CN113758441A - 基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面形貌检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面形貌检测装置及方法。该装置由计算机、宽带光源、光电探测器、数据采集卡、2x2耦合器、1x2耦合器、二维位移平台、可调光学衰减器、光纤回射器、光学延迟线、光纤隔离器、准直器、待测物组成。宽带光源发出的光经耦合器分为测量光与参考光两路，当参考光与测量光光程相等时，发生相干干涉现象，通过计算机解算可得物体表面三维微形貌。耦合器、可调光学衰减器、光电探测器、数据采集卡、计算机组成材质自适应结构，实现多材质表面三维微形貌的测量。本发明还提供了一种基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面形貌检测方法。本发明具有非接触式测量、多种材质自适应、测量精度高等特点。

Description

基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面形貌检测装置及 方法

技术领域

本发明属于物体表面形貌检测技术领域，具体说是基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面形貌检测装置及方法。

背景技术

随着机械、微电子、光学、半导体等行业的快速发展，人们对加工零件的表面质量要求也日益提高。特别是在精密仪器加工与制造领域，表面三维微形貌对加工零件的性能有着至关重要的影响，是最重要的技术指标之一。现有表面三维微形貌的测量方法主要可分为接触式与非接触式两大类。接触式的方法利用机械探针在待测物表面滑动，由于待测物表面是凹凸不平的，机械探针会上下移动，位移传感器测得该位移，通过一定的比例换算即可算出待测物表面的三维微形貌信息。接触式的测量方法精度高，但其容易造成被测物划伤，这也使得该方法应用较少。

非接触式的方法主要有低相干干涉法、几何光学探针法、原子力显微镜法、扫描隧道显微镜法、扫描电子显微镜法等。这其中相干干涉法具有非接触式测量，对被测物无损伤，精度高、测量速度快，可一次性测量等优势、成本低、结构简单、可直接在空气中测量等。低相干干涉法是通过光学干涉原理来测量物体表面微形貌的。基于低相干干涉的表面三维形貌检测方法将宽带光源发出的光分为两路：一路称为测量光，另一路称为参考光，当测量光与参考光的光程相等时，会产生相干干涉现象。假设初始状态下测量光与参考光的光程是相等的，物体表面微结构下的凹凸不平会导致测量光光程的变化，根据此光程的变化即可解算出物体表面三维微形貌。

然而现有低相干干涉法在一次测量中往往假设被测物都是用同一种材质组成的，即被测物的表面颜色都是一致的，对测量光的反射率是一致的。这使得现有方法在测量多颜色材质的表面三维微形貌时，往往需要在不同颜色的区域分别多次测量，每次测量时都需要调整耦合器的分光比，这使得测量过程更加繁琐。

为解决上述问题，本发明提供了一种基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面三维微形貌检测装置及方法，能够在一次测量中测量由多种材质组成物体的表面三维微形貌。

发明内容

本发明目的是提供基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面形貌检测装置及方法，以实现多材质、多颜色物品表面三维微形貌的测量。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面形貌检测装置，包括：2x2耦合器C3和与其分别经过光纤连接的发射支路、参考光调节支路、测量光检测支路、干涉检测采集支路；所述发射支路包括依次连接的宽带光源BLS、光纤隔离器OFI；宽带光经2x2耦合器C3输出参考光和测量光；所述参考光调节支路包括在参考光路上依次设有可调光学衰减器VOA、1x2耦合器C2、光学延迟线ODL、光纤回射器FOR，参考光依次经过可调光学衰减器VOA、1x2耦合器C2、光学延迟线ODL、光纤回射器FOR发生折返并原路返回至2x2耦合器C3；所述测量光检测支路包括在测量光路上依次设有1x2耦合器C1、准直器A，测量光依次经过1x2耦合器C1、准直器A照射在待测量材质S表面发生折返并原路返回至2x2耦合器C3；所述干涉检测采集支路包括依次连接的第三光电探测器P3、数据采集卡D3、计算机B3，采集干涉信号。

所述1x2耦合器C2输出两路参考光折返后的光路：参考光1传输至2x2耦合器C3，参考光2传输至光强检测支路，包括：第二光电探测器P2、数据采集卡D2、计算机B2，检测参考光折返后的强度I_r2。

所述1x2耦合器C1输出两路测量光折返后的光路：测量光1传输至2x2耦合器C3，测量光2传输至光强检测支路，包括：第一光电探测器P1、数据采集卡D1、计算机B1，检测测量光折返后的强度I_m2。

所述1x2耦合器C1、1x2耦合器C2、2x2耦合器C3的强度比均为50/50。

所述准直器A设于二维位移平台M上，二维位移平台M上的电机转动带动准直器A在二维位移平台M上滑动，对待测量材质S表面进行扫描。

基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面形貌检测方法，该方法是基于以上所述装置实现的，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：控制准直器A对待测物S的不同材质且不规则表面按照预设轨迹进行逐点扫描，并在每个待测点处分别通过控制光学延迟线ODL改变参考光光程、通过调节可调光学衰减器VOA改变参考光光强，使折返的参考光1与测量光1在2x2耦合器C3处产生相干干涉；

判断产生相干干涉时刻，并此时获取准直器A轨迹点的三维坐标以及该待测点处参考光1与测量光1发生干涉时光学延迟线ODL的坐标值d_i；

依据参考光与测量光光程相等发生干涉原理依次获得整个待测物S的不同材质且不规则表面所有待测点的三维坐标；

步骤2：在同一坐标系下拼接所有待测点三维坐标，得到整个待测物S的不同材质表面的完整三维形貌。

所述控制准直器A对待测物S的不同材质且不规则表面按照预设轨迹进行逐点扫描，包括：

计算机B1输出指令控制二维位移平台M带动准直器A按照预设轨迹分别移动到待测物S的表面待测点的预设轨迹点(x_i,y_i,z_i)。

所述参考光光程为：可调光学衰减器VOA、1x2耦合器C2、光学延迟线ODL、光纤回射器FOR之间折返形成参考光的光程；

所述测量光程为：待测物S、准直器A、1x2耦合器C1之间折返形成测量光的光程。

所述使折返的参考光1与测量光1发生干涉；包括：

当待测物S的表面是不同材质且形状不规则时，通过计算机B2输出指令给可调光学衰减器VOA改变参考光1的光强与测量光1的光强值相等，通过计算机B2输出指令给光学延迟线ODL改变参考光1的光程，直到参考光1与测量光1产生相干干涉。

所述判断产生相干干涉时刻，包括：

光电探测器P3与数据采集卡D3采集干涉信号，并送入计算机B3进行数据处理，判断干涉信号光强值最大时产生干涉。

所述依据参考光与测量光光程相等发生干涉原理依次获得整个待测物S的不同材质且不规则表面所有待测点的三维坐标，包括：

由于依据参考光与测量光的光程差为零时发生干涉，得到此时测物S的不同材质且不规则表面的当前待测点的三维坐标(x_i,y_i,z_i+d_i)。

所述二维位移平台M带动准直器A按照预设轨迹进行逐点扫描，是以任意一侧为起始逐行或逐列进行，完成三维微形貌检测。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明提供了一种材质自适应的表面三维微形貌检测装置及方法，本发明能够在一次测量中测量颜色不同、材质不同的物体表面三维微形貌。

2.本发明结构简单、抗干扰能力强、测量精度高。

3.本发明是非接触式的测量方式，对被测物无损伤。

附图说明

图1本发明的检测装置示意图；

图2本发明的检测方法流程图。

其中,B1、B2、B3分别是第一、第二、第三计算机、BLS是宽带光源、OFI是光纤隔离器、P1是第一光电探测器、P2是第二光电探测器、P3是第三光电探测器、D1是第一数据采集卡、D2是第二数据采集卡、D3是第三数据采集卡、C1是1x2耦合器、C2是1x2耦合器、C3是2x2耦合器、ODL是光学延迟线、FOR是光纤回射器、M是二维位移平台、A是准直器、VOA是可调光学衰减器、S是待测物。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

如图1所示，本发明涉及的一种基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面三维形貌检测装置包括计算机B1、B2、B3、宽带光源BLS、光纤隔离器OFI、第一光电探测器P1、第二光电探测器P2、第三光电探测器P3、数据采集卡D1、数据采集卡D2、数据采集卡D3、1x2耦合器C1、1x2耦合器C2、2x2耦合器C3、光学延迟线ODL、光纤回射器FOR、二维位移平台M、准直器A、可调光学衰减器VOA、待测物S。

宽带光源发出的光经过光纤隔离器OFI后，被2x2耦合器分为强度比为50/50的两路。一路光经过可调光学衰减器VOA、1x2耦合器C2、光学延迟线ODL后抵达光纤回射器FOR，记为参考光；另一路光经1x2耦合器C1、准直器A后，照射在待测物A的表面，记为测量光。所述二维位移平台M包括水平和纵向两个方向运动的直线模组。

参考光经光纤回射器FOR反射，经过光学延迟线ODL后被1x2耦合器C2分为50/50的两路，一路经可调光学衰减器VOA抵达2x2耦合器C3，记为参考光1；另一路抵达光电探测器P2，记为参考光2。光电探测器P2与数据采集卡D2采集参考光2的强度值并记为I_r2，存入计算机B2。

测量光被待测物S表面反射至准直器A，再被1x2耦合器C1分为50/50的两路，一路抵达2x2耦合器C3，记为测量光1；另一路抵达光电探测器P1，记为测量光2。光电探测器P1与数据采集卡D1采集测量光2的强度值并记为I_m2，存入计算机B1。由于1x2耦合器C1的分光比50/50，测量光1与测量光2的光强相等，此时测量光1的光强I_m1＝I_m2，即测量光1的光强值可以通过检测测量光2光强值的方式实时获得。类似地，参考光1与参考光2的光强也相等，此时参考光2的光强I_r1＝I_r2，此时参考光1与测量光1的光强值可通过测量参考光2与测量光2光强值的方式实时检测。

参考光1与测量光1在2x2耦合器处发生干涉现象，产生的干涉现象被光电探测器P3与数据采集卡D3采集，并存入计算机B3。光电探测器P3采集干涉电信号，数据采集卡将电信号转变为数字信号，计算机B3根据干涉数字信号的光强值最大时刻判断参考光与测量光发生干涉。参考光1与测量光1发生干涉的条件是参考光1的光程与测量光1的光程相同，参考光1的光强I_r1与测量光1的光强I_m1相等。测量不同材质时，尤其是不同颜色材质时，由于材质反射率不同，被材质S表面返回的测量光的强度也会变化，导致发生干涉的条件不满足。所述材质自适应装置实时检测参考光1与测量光1的光强I_r1和I_m1，当待测材质变化时，测量光1的光强值I_m1发生变化，与此同时计算机控制可调光学衰减器VOA，调节参考光的光强值I_m1＝I_r1，使参考光1与测量光1再次满足干涉发生的条件。

光学延迟线ODL型号为ODL-Mesa Photonics，光纤回射器FOR型号为P5-1060R-P01-1，准直器A型号为F260APC-C，可调光学衰减器VOA型号为V1550A。

根据本申请的另一个方面，提供了基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面三维形貌检测方法，该方法采用前述的基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面三维形貌检测装置，结合图2，基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面三维形貌检测方法包括如下3个步骤：

步骤1：安装固定整个低相干干涉的非接触式材质自适应表面三维形貌检测装置。维移动平台带动准直器A移动到待测物的第一个待测点；计算机B2控制可调光学衰减器VOA调节参考光1的光强，使得参考光1与测量光1的光强值相等；光学延迟线ODL调节参考光的光程，使得测量光1与参考光1的光程相等并在2x2耦合器C3处产生相干干涉，光电探测器P3与数据采集卡D3采集干涉数据，并送入计算机B3进行数据处理。计算机B3记录此时准直器的坐标(x₀,y₀,z₀)与光学延迟线ODL的坐标值d₀,并将(x₀,y₀,z₀+d₀)，作为待测物S起始点。

步骤2：利用二维位移平台带动准直器A逐点扫描测量待测物S表面上的每一点，每当准直器A移动到新的测量点i时，材质自适应模块首先检测测量光1与参考光1的光强值，并调节可调光学衰减器VOA，使得参考光1与测量光1的光强值相等。光学延迟线ODL改变参考光的光程，直至再次发生相干干涉，计算机B3记录此时准直器的坐标(x_i,y_i,z_i)，记录光学延迟线ODL的坐标值d_i，并将(x_i,y_i,z_i+d_i)，作为待测点i的坐标值；逐点测量待测物S表面上的每一点，直至所有点都被测量。

步骤3：以起始点(x₀,y₀,z₀+d₀)为原点建立坐标系，将所有点的坐标都转换到此坐标系，转换后的坐标为(x,y,z)＝(x_i-x₀,y_i-y₀,z_i+d_i-z₀-d₀)，完成待测物S表面三维微形貌检测。

本实施例提供的基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面三维形貌检测装置测量方便、测量精度高且适用于多种材质。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面形貌检测装置，其特征在于，包括：2x2耦合器C3和与其分别经过光纤连接的发射支路(1)、参考光调节支路(2)、测量光检测支路(3)、干涉检测采集支路(4)；所述发射支路(1)包括依次连接的宽带光源BLS、光纤隔离器OFI；宽带光经2x2耦合器C3输出参考光和测量光；所述参考光调节支路(2)包括在参考光路上依次设有可调光学衰减器VOA、1x2耦合器C2、光学延迟线ODL、光纤回射器FOR，参考光依次经过可调光学衰减器VOA、1x2耦合器C2、光学延迟线ODL、光纤回射器FOR发生折返并原路返回至2x2耦合器C3；所述测量光检测支路(2)包括在测量光路上依次设有1x2耦合器C1、准直器A，测量光依次经过1x2耦合器C1、准直器A照射在待测量材质S表面发生折返并原路返回至2x2耦合器C3；所述干涉检测采集支路(4)包括依次连接的第三光电探测器P3、数据采集卡D3、计算机B3，采集干涉信号。

2.根据权利要求1所述的基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面形貌检测装置，其特征在于，所述1x2耦合器C2输出两路参考光折返后的光路：参考光1传输至2x2耦合器C3，参考光2传输至光强检测支路，包括：第二光电探测器P2、数据采集卡D2、计算机B2，检测参考光折返后的强度I_r2。

3.根据权利要求1所述的基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面形貌检测装置，其特征在于，所述1x2耦合器C1输出两路测量光折返后的光路：测量光1传输至2x2耦合器C3，测量光2传输至光强检测支路，包括：第一光电探测器P1、数据采集卡D1、计算机B1，检测测量光折返后的强度I_m2。

4.根据权利要求1所述的基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面形貌检测装置，其特征在于，所述1x2耦合器C1、1x2耦合器C2、2x2耦合器C3的强度比均为50/50。

5.根据权利要求1所述的基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面形貌检测装置，其特征在于，所述准直器A设于二维位移平台M上，二维位移平台M上的电机转动带动准直器A在二维位移平台M上滑动，对待测量材质S表面进行扫描。

6.基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面形貌检测方法，该方法是基于权利要求1-5所述装置实现的，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：控制准直器A对待测物S的不同材质且不规则表面按照预设轨迹进行逐点扫描，并在每个待测点处分别通过控制光学延迟线ODL改变参考光光程、通过调节可调光学衰减器VOA改变参考光光强，使折返的参考光1与测量光1在2x2耦合器C3处产生相干干涉；

判断产生相干干涉时刻，并此时获取准直器A轨迹点的三维坐标以及该待测点处参考光1与测量光1发生干涉时光学延迟线ODL的坐标值d_i；

依据参考光与测量光光程相等发生干涉原理依次获得整个待测物S的不同材质且不规则表面所有待测点的三维坐标；

步骤2：在同一坐标系下拼接所有待测点三维坐标，得到整个待测物S的不同材质表面的完整三维形貌。

7.如权利要求6所述的基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面形貌检测方法，其特征在于，所述控制准直器A对待测物S的不同材质且不规则表面按照预设轨迹进行逐点扫描，包括：

计算机B1输出指令控制二维位移平台M带动准直器A按照预设轨迹分别移动到待测物S的表面待测点的预设轨迹点(x_i,y_i,z_i)。

8.如权利要求6所述的基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面形貌检测方法，其特征在于，

所述参考光光程为：可调光学衰减器VOA、1x2耦合器C2、光学延迟线ODL、光纤回射器FOR之间折返形成参考光的光程；

所述测量光程为：待测物S、准直器A、1x2耦合器C1之间折返形成测量光的光程。

9.如权利要求6所述的基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面形貌检测方法，其特征在于，所述使折返的参考光1与测量光1发生干涉；包括：

当待测物S的表面是不同材质且形状不规则时，通过计算机B2输出指令给可调光学衰减器VOA改变参考光1的光强与测量光1的光强值相等，通过计算机B2输出指令给光学延迟线ODL改变参考光1的光程，直到参考光1与测量光1产生相干干涉。

10.如权利要求6所述的基于低相干干涉的非接触式材质自适应表面形貌检测方法，其特征在于，所述判断产生相干干涉时刻，包括：

光电探测器P3与数据采集卡D3采集干涉信号，并送入计算机B3进行数据处理，判断干涉信号光强值最大时产生干涉。

所述依据参考光与测量光光程相等发生干涉原理依次获得整个待测物S的不同材质且不规则表面所有待测点的三维坐标，包括：

由于依据参考光与测量光的光程差为零时发生干涉，得到此时测物S的不同材质且不规则表面的当前待测点的三维坐标(x_i,y_i,z_i+d_i)。

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