CN1322309C - 表面粗糙度非接触测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种新型表面粗糙度测量系统。该系统由聚焦误差探测和控制驱动两部分组成。采用动态离焦误差检测方法，引入聚焦伺服系统，由临界角法探测到聚焦误差信号，用来控制聚焦物镜的移动，使聚焦光点始终聚焦在被测表面上，聚焦物镜的移动量反映了被测表面的高度变化。动态离焦误差检测方法大幅度提高了测量范围。为了避免光源不均匀，及被测表面的倾角对测量的影响，采用双光路，利用差动技术消去信号的畸变分量。
Description
技术领域
本发明涉及物体表面粗糙度，特别是一种表面粗糙度非接触测量系统。主要应用于软材料、易损工件及某些有信息的表面进行表面粗糙度的测量。
背景技术
表面粗糙度是机械加工中描述表面微观形貌非常重要的一个参数，表面粗糙度测量是现代精密测试计量技术的一个重要组成部分。
目前广泛使用的机械触针式轮廓仪，虽然测量准确度高，但触针与工件表面的接触，易划伤工件和磨损触针；同时触针针尖的尺寸也限制了测量的空间分辨力。为了克服接触测量的这些缺点，采用了许多非接触测量表面粗糙度的方法。其中光学临界角法测量表面粗糙度，具有系统简单、调节容易的优点。在先技术中有一种采用临界角法测量表面粗糙度的测试仪(参见“High precision optical surface sensor”Tsuguo Kohno，Norimitsu Ozawa，Kozo Miyamoto，and Tohru Musha APPLIED OPTICS.27(1)，103(1988).)该仪器可以较好地测量物体表面粗糙度，但它存在的缺点是，它由于直接采用离焦误差检测方法，测量范围由聚焦误差曲线的线性区决定，测量范围小(～3um)。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的不足，提供一种表面粗糙度非接触测量系统，它采用动态离焦误差检测方法，大幅度提高了测量范围。
本发明的基本构思是：
本发明表面粗糙度非接触测量系统。引入聚焦伺服系统，系统在进行扫描测量过程中，被测表面上的微观起伏，透过物镜的会聚光束不能准确地会聚在被测表面上，由临界角法探测到聚焦误差信号，光电探测器输出的信号被反馈，用来控制聚焦物镜沿光轴移动，从而使聚焦光点始终聚焦在被测表面上，聚焦物镜的移动量反映了被测表面的高度变化，其垂直分辨力取决于聚焦伺服精度。为了避免光源不均匀，及被测表面的倾角对测量的影响，采用双光路，利用差动技术消去信号的畸变分量。
本发明的技术解决方案如下：
一种表面粗糙度非接触测量系统，特征在于其由聚焦误差探测和控制驱动两部分组成：
所述的聚焦误差探测部分包括激光器，在沿该激光器的激光输出方向的第一光轴上依次是准直镜和偏振分光棱镜，该偏振分光棱镜的中心位于第一光轴上且激光的入射面与第一光轴垂直，通过该偏振分光棱镜的中心且垂直于第一光轴的是第二光轴，在该第二光轴上，同光轴地依次是第二临界角棱镜、半透半反镜、偏振分光棱镜、四分之一波片、聚焦伺服执行器、会聚透镜和供被测物体表面承载的二维工作台，所述的第二临界角棱镜的中心和半透半反镜的中心位于第二光轴上，过所述的第二临界角棱镜的中心与第二光轴的垂直线上设有第二二象限光电探测器，该探测器的中心位于所述的垂直线上，过所述的半透半反镜的中心并与第二光轴的垂直线上，是第一临界角棱镜，过该第一临界角棱镜的中心且平行于第二光轴的平行线上设有第一二象限光电探测器，该探测器的中心位于所述的平行线上，所述的第一二象限光电探测器和第二二象限光电探测器的各象限均与一信号处理器的输入端相接；
所述的控制驱动部分由依次连接的信号处理器、集成控制器、聚焦伺服执行器的驱动器、聚焦伺服执行器和计算机组成，所述的会聚透镜位于聚焦伺服执行器上，该聚焦伺服执行器在所述的聚焦伺服执行器的驱动器的驱动下带动会聚透镜随被测物体表面的面形而变化，该聚焦伺服执行器的位置传感器的输出端与计算机相连。
所述的集成控制器由A/D转换卡、数字信号处理器、D/A转换卡组成。
所述的聚焦伺服执行器为纳米平台，或音圈电机。
本发明表面粗糙度非接触测量系统的工作过程如下：
激光器的出射的线偏振光束经准直镜后，变为平行光束，入射至偏振分光棱镜上，被偏振分光棱镜的分光面反射至四分之一波片，经偏振分光棱镜产生的偏振光经四分之一波片后转变为圆偏振光，再经过会聚透镜，即物镜后会聚在其焦点处。会聚光束被被测表面反射，依次经过会聚透镜，四分之一波片，反射回来的圆偏振光束再次经过四分之一波片后变为线偏振光，且其偏振方向与第一次透过四分之一波片前的入射线偏振光的偏振方向垂直。此反射回的线偏振光再次入射到偏振分光棱镜上时，透过该偏振分光棱镜入射至半透半反镜。入射到半透半反镜上的光束中，50％透过半透半反镜入射到第二临界角棱镜上，其中入射角大于临界角棱镜的全反射临界角的部分光束被全反射至第二二象限探测器上；另外50％被半透半反镜反射到第一临界角棱镜上，其中入射角大于第一临界角棱镜的全反射临界角的部分光束被全反射至第一二象限探测器上。第一二象限探测器和第一二象限探测器把接收到的光信号转变成电信号输出送入信号处理器。
开始测试前，通过手动将被测表面移动到聚焦伺服执行器的伺服范围之内，测试时，由二维工作台带动被测物体的表面在垂直于会聚透镜的第二光轴的表面上平移，由于被测表面的微观起伏，会聚透镜不能始终正确聚焦在被测物体表面上，该被测表面反射回来的光束不再是平行光，这样，射入第一二象限探测器和第二二象限探测器的光强大小和分布将随被测表面的位置而变化。
信号处理器将由第一二象限光电探测器和第二二象限光电探测器输入的电流信号进行电流-电压转换、前置放大后输出至集成控制器，由A/D转换卡进行A/D转换后送入数字信号处理器进行加减和归一化运算，得到聚焦误差信号，并对其应用PID控制算法进行校正后得到聚焦伺服信号，数字信号处理器输出的聚焦伺服信号再经过D/A转换卡进行数/模转换后输出。集成控制器的输出信号输出至聚焦伺服执行器的驱动器，对输入的电压进行放大后输出驱动聚焦伺服执行器，该聚焦伺服执行器带动会聚透镜跟随被测表面面形的变化而变化。当然，该聚焦伺服执行器的移动量就反映了被测表面面形的变化，聚焦伺服执行器上的位置传感器可测出聚焦伺服执行器的位移变化，输出至计算机经过数据处理，可以得到表面粗糙度的各种评定参数，并可以进行存储、显示。
与在先技术相比，本发明的优点：
由于采用动态离焦误差检测方法，测量范围由聚焦伺服执行器的驱动器的行程决定，测量范围大，可达500um。
附图说明
图1为本发明的实施例的光路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
先请参阅图1，图1为本发明的实施例1的光路结构示意图。由图可见，本发明表面粗糙度非接触测量系统，由聚焦误差探测和控制驱动两部分组成：
所述的聚焦误差探测部分包括激光器1，沿该激光器1的激光输出方向的第一光轴01上依次是准直镜2和偏振分光棱镜3，该偏振分光棱镜3的中心31位于第一光轴01上且其入射面与第一光轴01垂直，通过该偏振分光棱镜3的中心31并垂直于第一光轴01的是第二光轴02，在该第二光轴02上，同光轴地依次是第二临界角棱镜72、半透半反镜6、偏振分光棱镜3、四分之一波片4、纳米平台12、会聚透镜5和供被测物体表面13承载的二维工作台14，所述的第二临界角棱镜72的中心721、半透半反镜6的中心61位于第二光轴02上，过所述的第二临界角棱镜72的中心721与第二光轴02的垂直线上设有第二二象限光电探测器82，其中心821位于所述的垂直线上，过所述的半透半反镜6的中心61并与第二光轴02的垂直线上，是第一临界角棱镜71，过该第一临界角棱镜71的中心711且平行于第二光轴02的平行线上设有第一二象限光电探测器81，其中心811位于所述的平行线上，所述的第一二象限光电探测器81和第二二象限光电探测器82的各象限均与一信号处理器9的输入端相接；
所述的控制驱动部分由依次连接的信号处理器9、集成控制器10、聚焦伺服执行器的驱动器11、纳米平台12和计算机15组成，所述的会聚透镜5位于纳米平台12上，该纳米平台12在所述的聚焦伺服执行器的驱动器11的驱动下带动会聚透镜5随被测物体表面13的面形的起伏而变化，该纳米平台12的位置传感器的输出端与计算机15相连。所述的集成控制器10由A/D转换卡101、数字信号处理器102、D/A转换卡103组成。
本实施例的工作过程是：
开始测试前，通过手动将被测物体表面13放在二维工作台14上并移动到纳米平台12的伺服范围之内，测试时，由二维工作台14带动被测物体的表面13在垂直于会聚透镜5的第二光轴02的平面上平移，由于被测表面的微观起伏，会聚透镜5的焦点不能始终正确处于所述被测物体表面13上，该被测物体表面13反射回来的光束将不再是平行光，这样，射入第一二象限探测器81和第二二象限探测器82的光强大小和分布将随被测表面的位置而变化，并输出相应的电流信号。
激光器1的出射的线偏振光束经准直镜2后，变为平行光束，入射至偏振分光棱镜3上，被偏振分光棱镜3的分光面反射至四分之一波片4，经偏振分光棱镜3产生的偏振光经四分之一波片4后转变为圆偏振光，再经过会聚透镜5，即物镜后会聚在其焦点处。会聚光束被被测表面13反射，依次经过会聚透镜5，四分之一波片4，反射回来的圆偏振光束再次经过四分之一波片4后变为线偏振光，且其偏振方向与第一次透过四分之一波片4前的入射线偏振光的偏振方向垂直。此反射回的线偏振光再次入射到偏振分光棱镜3上时，透过该偏振分光棱镜3入射至半透半反镜6。入射到半透半反镜6上的光束中，50％透过半透半反镜6入射到第二临界角棱镜上72，其中入射角大于临界角棱镜72的全反射临界角的部分光束被全反射至第二二象限探测器82上；另外50％被半透半反镜6反射到第一临界角棱镜71上，其中入射角大于第一临界角棱镜71的全反射临界角的部分光束被全反射至第一二象限探测器81上。第一二象限探测器71和第二二象限探测器82把接收到的光信号转变成电信号输出送入信号处理器9。
第一二象限光电探测器81和第二二象限光电探测器82输出的电流信号由信号处理器9经电流-电压转换、前置放大后，输出至集成控制器10，由其A/D转换卡101进行A/D转换数字信号后，送入数字信号处理器102进行加减和归一化运算，得到聚焦误差信号，并对其应用PID控制算法进行校正后得到聚焦伺服信号，该聚焦伺服信号再经过D/A转换卡103进行数/模转换后输出。集成控制器10的输出信号输出至聚焦伺服执行器的驱动器11，简称PZT驱动器，对输入的电压进行放大后驱动纳米平台12，该纳米平台12被驱动后，带动会聚透镜5跟随被测物体表面13面形的变化而变化。当被测物体在二维工作台14上被该二维工作台14驱动扫描时，该纳米平台12的移动量就反映了被测物体表面13的面形的变化，纳米平台12上的位置传感器(图中未示)将纳米平台12的位移变化输出至计算机15，经过数据处理可以得到被测物体表面13表面粗糙度的各种评定参数，并可以进行存储、显示。
Claims (2)
1、一种表面粗糙度非接触测量系统，特征在于其由聚焦误差探测和控制驱动两部分组成：
所述的聚焦误差探测部分包括激光器(1)，沿该激光器(1)的激光输出方向的第一光轴(01)上依次是准直镜(2)和偏振分光棱镜(3)，该偏振分光棱镜(3)的中心(31)位于第一光轴(01)上且激光的入射面与第一光轴(01)垂直，通过该偏振分光棱镜(3)的中心(31)并垂直于第一光轴(01)的是第二光轴(02)，在该第二光轴(02)上，同光轴地依次是第二临界角棱镜(72)、半透半反镜(6)、偏振分光棱镜(3)、四分之一波片(4)、聚焦伺服执行器(12)、会聚透镜(5)和供被测物体表面(13)承载的二维工作台(14)，所述的第二临界角棱镜(72)的中心(721)、半透半反镜(6)的中心(61)位于第二光轴(02)上，过所述的第二临界角棱镜(72)的中心(721)与第二光轴(02)的垂直线上设有第二二象限光电探测器(82)，该第二二象限光电探测器(82)的中心(821)位于所述的垂直线上，过所述的半透半反镜(6)的中心(61)并与第二光轴(02)的垂直线上，是第一临界角棱镜(71)，过该第一临界角棱镜(71)的中心(711)且平行于第二光轴(02)的平行线上设有第一二象限光电探测器(81)，该第一二象限光电探测器(81)的中心(811)位于所述的平行线上，所述的第一二象限光电探测器(81)和第二二象限光电探测器(82)的各象限均与一信号处理器(9)的输入端相接；
所述的控制驱动部分由依次连接的信号处理器(9)、集成控制器(10)、聚焦伺服执行器的驱动器(11)、聚焦伺服执行器(12)和计算机(15)组成，所述的会聚透镜(5)位于聚焦伺服执行器(12)上，该聚焦伺服执行器(12)在所述的聚焦伺服执行器的驱动器(11)的驱动下带动会聚透镜(5)随被测物体表面(13)的面形而变化，该聚焦伺服执行器(12)的位置传感器的输出端与计算机(15)相连。
2、根据权利要求1所述的表面粗糙度非接触测量系统，其特征在于所述的集成控制器(10)由A/D转换卡(101)、数字信号处理器(102)、D/A转换卡(103)组成。
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