CN210268552U - 一种非接触式超精密零件表面测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非接触式超精密零件表面测量装置，主要包括显微干涉仪、偏振移相单元、图像采集系统和数据处理系统，所述显微干涉仪主要包括点光源固定架、透镜座和基座，所述基座内侧下部固定安装有偏振分光镜，所述基座右端下部固定安装有参考镜位姿调整机构，所述基座顶端固定安装有透镜座，透镜座底端中部嵌设安装有显微镜，所述透镜座内侧中部固定安装有消偏振分光镜，所述透镜座内侧上部固定安装有λ/4波片。本实用新型在结构上设计合理，具有结构紧凑、定位误差小、移相简单且精度高、测量仪器调整方便且测量面积大的优点。

Description

一种非接触式超精密零件表面测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种测量装置，具体是一种非接触式超精密零件表面测量装置。

背景技术

现有的非接触式超精密零件表面测量方法有光学探针法和相移干涉显微法。光学探针法也称聚焦探测法，其原理类似于机械探针法，仅仅是聚焦光束替代了机械探针；相移干涉显微镜相移是光学干涉仪与显微镜相结合的一种方法，测量时，光源发出两束相干光，一束由参考面反射返回，一束由被测面反射返回，两束光汇合发生干涉，显微镜将被测表面的微观轮廓起伏转换为放大了的平面干涉条纹，通过测量干涉条纹的相对变形来间接完成表面轮廓的测量。

在现有技术中，光学探针法横向测量范围比较小，结构和控制复杂，且逐点扫描效率低；相移干涉显微技术需要精确地给出移相量，而且由于受压电陶瓷移动参考反射镜移相，存在相移误差。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种非接触式超精密零件表面测量装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种非接触式超精密零件表面测量装置，主要包括显微干涉仪、偏振移相单元、图像采集系统和数据处理系统，所述显微干涉仪主要包括点光源固定架、透镜座和基座，所述基座内侧下部固定安装有偏振分光镜，所述基座右端下部固定安装有参考镜位姿调整机构，所述基座顶端固定安装有透镜座，透镜座底端中部嵌设安装有显微镜，所述透镜座内侧中部固定安装有消偏振分光镜，所述透镜座内侧上部固定安装有λ/4波片，所述透镜座右端外壁位于消偏振分光镜同一水平线处固定安装有点光源固定架，点光源固定架内侧左部固定安装有起偏器，点光源固定架内侧右部固定安装有准直镜，所述点光源固定架右端固定安装有单色LED点光源；所述透镜座内侧位于λ/4波片上部嵌设安装有电机座，电机座后侧左部外壁固定安装有电机，电机的电机轴通过联轴器固定安装有蜗杆，所述电机座中部通过轴承转动安装有涡轮，涡轮与蜗杆啮合连接，所述涡轮内侧中部固定安装有检偏器，检偏器与λ/4波片构成偏振移相单元，所述透镜座顶端固定安装有CCD摄像机接头，CCD摄像机接头内侧固定安装有CCD摄像机，CCD摄像机内部装配有图像采集卡，图像采集卡与CCD摄像机构成图像采集系统，所述图像采集卡通过数据线电性连接有计算机，计算机内部刻录设置有测量软件，所述电机通过数据线与计算机电性连接，所述电机、计算机和测量软件构成数据处理系统。

作为本实用新型进一步的方案：所述基座、电机座和透镜座中部设置有通光空腔，所述基座正下方放置被测表面。

作为本实用新型再进一步的方案：所述参考镜面位姿调整机构主要包括螺杆、盖板、弹性联轴器、外筒和轴，三个120度分布的所述螺杆旋接安装在盖板内侧，所述外筒内侧中部固定安装有弹性联轴器，所述螺杆左端紧密接触弹性联轴器的右端，所述弹性联轴器内侧壁固定安装有轴，轴左端粘附安装有参考镜，所述盖板与外筒右端侧壁固定连接。

作为本实用新型再进一步的方案：所述CCD摄像机采用MTV-1881EX1/2英寸黑白低照度高解析CCD摄像机。

作为本实用新型再进一步的方案：所述计算机基于VC++6.0平台设计开发测量软件，所述测量软件为MATLAB和VC软件。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型在结构上设计合理，具有结构紧凑、定位误差小、移相简单且精度高、测量仪器调整方便且测量面积大的优点。

附图说明

图1为非接触式超精密零件表面测量装置与被测表面之间的位置示意图。

图2为非接触式超精密零件表面测量装置中参考镜面位姿调整机构的结构示意图。

图3为非接触式超精密零件表面测量装置中电机、蜗杆和涡轮之间的位置示意图。

图4为非接触式超精密零件表面测量装置中蜗杆和涡轮之间俯视角度的结构示意图。

图5为参考镜面位姿调整机构中盖板和螺杆之间右视角度的结构示意图。

图6为非接触式超精密零件表面测量装置光学原理图。

图中：单色LED点光源1、准直镜2、起偏器3、消偏振分光棱镜4、显微镜5、偏振分光棱镜6、被测表面7、参考镜8、λ/4波片9、检偏器10、CCD摄像机11、计算机12、测量软件13、点光源固定架14、蜗杆15、弹性联轴器16、电机17、外筒18、基座19、盖板20、涡轮21、透镜座22、电机座23、轴24、螺杆25、CCD摄像机接头26。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参阅图1～6，本实用新型实施例中，一种非接触式超精密零件表面测量装置，主要包括显微干涉仪、偏振移相单元、图像采集系统和数据处理系统，所述显微干涉仪主要包括点光源固定架14、透镜座22和基座19，所述基座19内侧下部固定安装有偏振分光镜6，所述基座19右端下部固定安装有参考镜位姿调整机构，所述基座19顶端固定安装有透镜座22，透镜座22底端中部嵌设安装有显微镜5，所述透镜座22内侧中部固定安装有消偏振分光镜4，所述透镜座22内侧上部固定安装有λ/4波片9，所述透镜座22右端外壁位于消偏振分光镜4同一水平线处固定安装有点光源固定架14，点光源固定架14内侧左部固定安装有起偏器3，点光源固定架14内侧右部固定安装有准直镜2，所述点光源固定架14右端固定安装有单色LED点光源1；所述透镜座22内侧位于λ/4波片9上部嵌设安装有电机座23，电机座23后侧左部外壁固定安装有电机17，电机17的电机轴通过联轴器固定安装有蜗杆15，所述电机座23中部通过轴承转动安装有涡轮21，涡轮21与蜗杆15啮合连接，所述涡轮21内侧中部固定安装有检偏器10，检偏器10与λ/4波片9构成偏振移相单元，所述透镜座22顶端固定安装有CCD摄像机接头26，CCD摄像机接头26内侧固定安装有CCD摄像机11，CCD摄像机11内部装配有图像采集卡，图像采集卡与CCD摄像机11构成图像采集系统，所述图像采集卡通过数据线电性连接有计算机12，计算机12内部刻录设置有测量软件13，所述电机17通过数据线与计算机12电性连接，所述电机17、计算机12和测量软件13构成数据处理系统。

所述基座19、电机座23和透镜座22中部设置有通光空腔，所述基座19正下方放置被测表面7。

所述参考镜面位姿调整机构主要包括螺杆25、盖板20、弹性联轴器16、外筒18和轴24，三个120度分布的所述螺杆25旋接安装在盖板20内侧，所述外筒18内侧中部固定安装有弹性联轴器16，所述螺杆25左端紧密接触弹性联轴器16的右端，所述弹性联轴器16内侧壁固定安装有轴24，轴24左端粘附安装有参考镜8，所述盖板20与外筒18右端侧壁固定连接，在旋转螺杆25时，三个螺杆25旋转行程不同时，挤压力作用角度的变化下，弹性联轴器16和轴24可推动参考镜8做任意角度的摆动，也可同时转动螺杆25进行参考镜8到显微镜5距离的调整，因此，可实现参考镜8的倾斜角、俯仰角以及到偏振分光棱镜6的距离三个自由度调整。

所述CCD摄像机11采用MTV-1881EX1/2英寸黑白低照度高解析CCD摄像机。

该非接触式超精密零件表面测量装置机架如图1所示，单色LED点光源1固定在点光源固定架14右侧，准直镜2、起偏器3通过固定架压环安装在点光源固定架14上，消偏振分光镜4、显微镜5、偏振分光镜6、参考镜8通过压环安装在透镜座22和基座19上，参考镜8的倾斜角、俯仰角以及到显微镜5的距离，通过参考镜面位姿调整机构中三个120度分布的螺杆25、弹性联轴器16、轴24的相互作用来实现，λ/4波片9安装在透镜座22的光轴上，与X轴成45度，检偏器10固定在涡轮21的中心上，电机17通过与蜗杆15联接，CCD摄像机11通过成像系统调整机构中的CCD摄像机接头26与透镜座22联接。

测量时，单色LED点光源1发出的单色光穿过准直镜2和线偏振器3，成为线偏振准直光，被消偏振分光棱镜4反射进入显微镜5，然后通过偏振分光棱镜6，被垂直分成沿X轴方向和沿Y轴方向两部分；其中，沿X轴方向分量经偏振分光棱镜6反射，入射到参考镜8，被反射回来作为参考光，沿Y轴方向分量经偏振分光棱镜6透射，入射到被测表面7，记录下被测表面的高度信息，反射回来作为测量光；这两束光在偏振分光棱镜6的分光平面处汇合，一同穿过λ/4波片9和检偏器10后发生偏振干涉，CCD摄像机11完成一次干涉图像采样；λ/4波片9的光轴与X轴成45°，检偏器10固定在涡轮15的中心，计算机12控制电机17驱动涡轮21和检偏器10旋转，实现偏振相移，然后，计算机12再次采样，最终，CCD摄像机11探测到具有固定相位差的多幅干涉图，并将这些干涉图像转换成数字信号，通过图像采集卡送入计算机12，计算机12通过基于VC++6.0平台上设计开发的测量软件13：MATLAB和VC软件进行数据处理、三维形貌显示及部分表面轮廓参数评定，就可得到被测表面微观轮廓和结构形状。

本实用新型的工作原理是：

本实用新型涉及一种非接触式超精密零件表面测量装置，该实用新型采用偏振相移技术与干涉显微镜相结合的方法对超精密零件表面进行测量，重复测量精度小于等于0.5nm，表面粗糙组测量误差低于3％，具有结构紧凑、定位误差小、运动精度高、系统稳定性高、测量仪器调整方便等优点。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种非接触式超精密零件表面测量装置，主要包括显微干涉仪、偏振移相单元、图像采集系统和数据处理系统，其特征在于，所述显微干涉仪主要包括点光源固定架(14)、透镜座(22)和基座(19)，所述基座(19)内侧下部固定安装有偏振分光镜(6)，所述基座(19)右端下部固定安装有参考镜位姿调整机构，所述基座(19)顶端固定安装有透镜座(22)，透镜座(22)底端中部嵌设安装有显微镜(5)，所述透镜座(22)内侧中部固定安装有消偏振分光镜(4)，所述透镜座(22)内侧上部固定安装有λ/4波片(9)，所述透镜座(22)右端外壁位于消偏振分光镜(4)同一水平线处固定安装有点光源固定架(14)，点光源固定架(14)内侧左部固定安装有起偏器(3)，点光源固定架(14)内侧右部固定安装有准直镜(2)，所述点光源固定架(14)右端固定安装有单色LED点光源(1)；所述透镜座(22)内侧位于λ/4波片(9)上部嵌设安装有电机座(23)，电机座(23)后侧左部外壁固定安装有电机(17)，电机(17)的电机轴通过联轴器固定安装有蜗杆(15)，所述电机座(23)中部通过轴承转动安装有涡轮(21)，涡轮(21)与蜗杆(15)啮合连接，所述涡轮(21)内侧中部固定安装有检偏器(10)，检偏器(10)与λ/4波片(9)构成偏振移相单元，所述透镜座(22)顶端固定安装有CCD摄像机接头(26)，CCD摄像机接头(26)内侧固定安装有CCD摄像机(11)，CCD摄像机(11)内部装配有图像采集卡，图像采集卡与CCD摄像机(11)构成图像采集系统，所述图像采集卡通过数据线电性连接有计算机(12)，计算机(12)内部刻录设置有测量软件(13)，所述电机(17)通过数据线与计算机(12)电性连接，所述电机(17)、计算机(12)和测量软件(13)构成数据处理系统。

2.根据权利要求1所述的非接触式超精密零件表面测量装置，其特征在于，所述参考镜面位姿调整机构主要包括螺杆(25)、盖板(20)、弹性联轴器(16)、外筒(18)和轴(24)，三个(120)度分布的所述螺杆(25)旋接安装在盖板(20)内侧，所述外筒(18)内侧中部固定安装有弹性联轴器(16)，所述螺杆(25)左端紧密接触弹性联轴器(16)的右端，所述弹性联轴器(16)内侧壁固定安装有轴(24)，轴(24)左端粘附安装有参考镜(8)，所述盖板(20)与外筒(18)右端侧壁固定连接。

3.根据权利要求1所述的非接触式超精密零件表面测量装置，其特征在于，所述基座(19)、电机座(23)和透镜座(22)中部设置有通光空腔，所述基座(19)正下方放置被测表面(7)。

4.根据权利要求1所述的非接触式超精密零件表面测量装置，其特征在于，所述CCD摄像机(11)采用MTV-1881EX1/2英寸黑白低照度高解析CCD摄像机。

5.根据权利要求1所述的非接触式超精密零件表面测量装置，其特征在于，所述λ/4波片(9)的光轴与X轴成四十五度夹角。

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