專利名稱：工件表面形貌精密測量裝置及測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種光學非接觸測量裝置，具體地說涉及的是一種光柵調(diào)制 光纖干涉條紋相位式工件表面形貌測量裝置。本發(fā)明還涉及一種采用該測量裝置 的測量方法。(二) 背景技術精密表面形貌測量技術是用來精確地測量各種精密加工物體表面形貌。例 如，光學器件表面，精密切割表面，各種研磨和拋光表面以及其它有微小表面變 形的物體。它可分為接觸式測量和非接觸式測量。非接觸式測量多以光學測量為 主，傳統(tǒng)的方法測量物體輪廓的連續(xù)表面或階梯表面，例如，單波長干涉技術、 雙波長干涉技術、條紋投射干涉技術、摩爾條紋法等。盡管這類測量被研究多年，' 提出很多的原理和方法，但是仍有很多不完備之處。單波長干涉儀可用來測量光滑連續(xù)表面，要求兩個被測點之間光程差變化小 于半個波長。這種干涉測量儀的代表為泰曼-格林干涉儀。在這種方法中，干涉 條紋是由物體表面的物光波和參考光波光程差產(chǎn)生的。干涉條紋的光強分布可以 由公式表達<formula>formula see original document page 4</formula>其中X為光源的波長，r(x)代表物體被測量表面，A、 B是與光強相關的常量。 a(x)為相位，可以通過正弦相位調(diào)制的方法得到。由公式可以看出測量的結果將 會隨著光源波長的波動而變化，由此引起較大的系統(tǒng)誤差和隨機誤差。雙波長干涉儀用于測量光程差大于半個波長的物體輪廓表面。在雙波長干涉 儀中，兩個光源的波長合成了新的波長大于任意一個單波長。實際上，雙波長干 涉儀更適于測量有一定高度差的階梯表面。例如，雙波長泰曼-格林干涉儀。<formula>formula see original document page 5</formula>根據(jù)干涉條紋的光強測量公式可以看出，階梯表面的高度差Ah與光源的波 長入1與X2相關。測量結果同樣也會隨著光源的波動而變化，導致較大的系統(tǒng)誤 差和隨機誤差。條紋投射方法(或光柵干涉儀)，投射相同的空間條紋于被測物體輪廓表面，并在另一個方向接收。條紋投射的方法更適用于有較大凹凸的非光學表面或散射表面。如果表面凹凸很小，需要增加投射條紋的數(shù)量來提高測量的精度。當在CCD傳感器上接收的空間條紋間距小于CCD的像素間距時，測量將無法進行。<formula>formula see original document page 5</formula>先前的技術1，例如日本Niigata University大學Osami Sasaki, Kazuhide Takahashi，( "Sinusoidal 'phase modulating interferometer using optical fibers for displacement measurement" , Applied Optics, October, 1988, Vol.27， No. 19 )給出了一種正弦相位光纖式干涉儀，該測量方法將壓電陶瓷固定在光纖出射端上，配合 聚焦透鏡，根據(jù)返回的反射光用光電探測器測量物體表面高度r(t)，其原理等同 于邁克爾遜干涉儀，也可以采用雙通道模式測量物體表面階梯高度。該測量方法 的缺點是，(1)盡管可以采用雙通道或者多通道測量的模式，但是由于壓電陶瓷 振動方向與測量光程在同一方向上，因此限制了該方法的測量量程，只適宜于單 點測量，測量速度慢。(2)該方法無法克服光源波長的漂移，當激光光源波長波 動時，不可避免的要帶來系統(tǒng)誤差。(3)與二維CCD圖像傳感測量方法比，無法直接測量二維圖像，相比之下測量范圍很小。先前的技術2，例如日本Niigata University大學Yande Xu, ( "Sinusoidal phase modulating two-grating surface profile measuring instrument" ， Opt.Eng.43(11) 2499-2500(November 2004))給出了一種雙光柵正弦相位式干涉儀用于測量物體 表面輪廓，該方法采用了光柵的(+1， 0)、 (0， +1)級衍射光形成干涉條紋，用 CCD圖像傳感器接收干涉條紋圖像，其中一個光柵連接壓電陶瓷，另一個光柵 連接探針置于被測量物體表面上。當壓電陶瓷振動時，CCD圖像傳感器接收干 涉條紋圖像相位相應變化，用正弦相位方法檢測圖像相位，實現(xiàn)物體表面輪廓測 量。該測量方法的缺點是，(1)利用了探針實現(xiàn)物體表面的接觸性測量，但接觸 性測量的缺點在于可能劃傷或者破壞被測量物體表面，造成無法恢復的損傷。(2) 接觸式探針用于精密表面測量時，其使用與標定非常困難。先前的技術3，例如中國科學院上海光學精密機械研究所何國田、王向朝(發(fā) 明專利公開號CN101033938A，"實時測量表面形貌的正弦相位調(diào)制干涉儀") 給出了一種實時測量表面形貌的正弦相位調(diào)制干涉儀，該測量方法在光學設計上 采用了泰曼-格林干涉儀形式，利用實時相位探測電路、實時鑒相電路與同步電 路等。該測量方法采用了相位補償技術，測量范圍達到一個波長，測量分辨率達 到0.62nm，能夠消除半導體光源波動對測量結果的影響。該測量方法的缺點是， 采用了泰曼-格林干涉儀的光路設計，測量范圍僅能達到一個波長，因此測量量 程范圍小。(2)當采用二維光電探測器測量時，由于測量量程小，對超出量程測 量范圍的二維物體表面需要附加機械運動機構來得到整個被測量物體表面輪廓， 因此測量速度慢。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種可以克服光源光強和波長的波動對物體表面輪 廓精密測量的影響，并實現(xiàn)大量程、高精度、非接觸測量的特點的工件表面形貌 精密測量裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種基于本發(fā)明的工件表面形貌精密測 量裝置的測量方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的工件表面形貌精密測量裝置的組成包括激光器1、光柵2、壓電陶 瓷3、信號發(fā)生器4、聚焦透鏡5、光纖連接器6、光纖7、 CCD探測器9和計算機10，激光器1位于光柵2前，壓電陶瓷3安裝在光柵2—側(cè)，信號發(fā)生器4 通過導線與壓電陶瓷3相連，兩個聚焦透鏡5位于光柵2后，激光器出射光經(jīng)過 光柵后產(chǎn)生多級衍射光，將其±1級衍射光斑經(jīng)過聚焦透鏡耦合入兩根光纖7中， 光纖7的出射端形成兩個相干點光源投射到被測物8上，CCD探測器9采集工 件表面的圖像并輸入計算機10?；诒景l(fā)明的工件表面形貌精密測量裝置的測量方法為 激光器出射光經(jīng)過光柵后產(chǎn)生多級衍射光，將其±1級衍射光斑經(jīng)過聚焦透 鏡耦合入兩根光纖之中，在光纖的出射端形成兩個相干點光源；兩個光纖點光源 發(fā)出的光束具有相同的光強，從而獲得高對比度的干涉條紋，投射在工件上；當 壓電陶瓷帶動光柵做正弦振動時，耦合入兩根光纖中的±1級衍射光斑的位置不 變而出射端兩個光纖點光源產(chǎn)生的干涉條紋相位相應發(fā)生周期性變化；由高速 CCD圖像傳感器采集工件表面的干涉條紋圖像，用正弦相位算法精確的測量出干 涉條紋圖像的相位變化。本發(fā)明所具備的優(yōu)點和特點是 (1 )將光柵出射的± 1級衍射光經(jīng)過聚焦透鏡耦合入兩根參數(shù)相同的單模光 纖之中，在光纖出射端形成兩個相干點光源。由于光路相同，所以兩個相干光纖 點光源具有相同的光強度，從而獲得高對比度的干涉條紋。(2) 千涉條紋投射在被測量物體表面，其量程范圍可達直徑30mm，實現(xiàn) 了大量程的非接觸式測量。(3) 壓電陶瓷帶動光柵做正弦振動時干涉條紋的相位變化，由于采用了光 柵的士l級衍射光，可以克服光源光強和波長的波動對測量結果的影響。同時用 正弦相位調(diào)制解調(diào)方法檢測干涉條紋圖像相位，測量精度高。(四)


附圖是本發(fā)明的工件表面形貌精密測量裝置的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述結合附圖，本發(fā)明的工件表面形貌精密測量裝置的組成包括激光器l、光柵 2、壓電陶瓷3、信號發(fā)生器4、聚焦透鏡5、光纖連接器6、光纖7、 CCD探測 器9和計算機10，激光器1位于光柵2前，壓電陶瓷3安裝在光柵2—側(cè)，信號發(fā)生器4通過導線與壓電陶瓷3相連，兩個聚焦透鏡5位于光柵2后，激光器 出射光經(jīng)過光柵后產(chǎn)生多級衍射光，將其±1級衍射光斑經(jīng)過聚焦透鏡耦合入兩 根光纖7中，光纖7的出射端形成兩個相干點光源投射到被測物8上，CCD探 測器9采集工件表面的圖像并輸入計算機10。本發(fā)明方法的基本原理是正弦相位調(diào)制干涉條紋的檢測原理。如圖1所示的 測量裝置，由He-Ne激光器1發(fā)出的光束經(jīng)過黑白光柵2被衍射為多級衍射光。 將其中±1級衍射光斑經(jīng)過聚焦透鏡5耦合入兩根參數(shù)相同的單模光纖7之中。 在兩根光纖的出射端形成兩個相干光纖點光源，產(chǎn)生干涉條紋，投射在被測量工 件8表面上。被調(diào)制的干涉條紋由CCD探測器9傳入計算機10。經(jīng)過相位解調(diào)得到被測量物體表面的輪廓信息。黑白光柵2其傳遞函數(shù)的指數(shù)型傅立葉表達形式為<formula>formula see original document page 8</formula> 其中a,P分別為黑白光柵透光與不透光部分。相干光經(jīng)過黑白光柵后其所有的多級衍射光復振幅表達式為<formula>formula see original document page 8</formula> 黑白光柵的+1， -l級衍射光的復振幅表達式為-<formula>formula see original document page 8</formula> 當+1， -1級衍射光斑經(jīng)光纖7后形成兩個相干點光源，其干涉條紋光強度 表達式如下<formula>formula see original document page 8</formula>其中^與B可以看成是與干涉條紋無關的常量。當黑白光柵2在乂方向有一個位移/時，黑白光柵傳遞函數(shù)表達式，(+1， -1 )級衍射光的復振幅表達式及干涉條紋光強的表達式相應變化為將黑白光柵2連接壓電陶瓷3，由信號發(fā)生器4帶動產(chǎn)生微小的正弦振動 A 二acos^。f +力時，(+1， -1)級衍射光斑位置不變因此可以耦合入光纖中。在光纖出射端產(chǎn)生干涉條紋，投射在被測量物體輪廓表面上，干涉條紋相位跟隨壓電陶瓷周期性振動。在CCD探測器9上接收到含有被測量物體表面信息的被調(diào) 制干涉條紋并傳遞到計算機10。采用正弦相位調(diào)制算法解出相位值oc，換算成物 體表面光程信息，從而可以得到被測量物體表面的輪廓信息。被調(diào)制干涉條紋相位的正弦相位調(diào)制、解調(diào)計算方法如下<formula>formula see original document page 9</formula>l + cosoc '〗 /。 (z) + 2^c/2m (z)(—l)m cos[2/w((0(Z + Q)]I w+ sina'<J2Zl/2m_1(z)(—l)mcos[(2w —1)(G)(Z + Q)]1=C1 + coscc-1)"+ sm oc'exp ( y'2附Q) exp ( y'2mc0(/) + exp(—y2附0)exp(—y'2附c0(/)l;"z)(—i)mm=lexp (2w -1) exp [y' (2w — 1) 0/]+ exp [—_/ (2w -1) e] exp [—y (2w — 1) oy] (17)其中^是m階貝塞爾函數(shù)，取上式的傅立葉變換可得S(co) + cosct. j /。 (z)+) + l^h (z)(-l)"1 4+ sinoc」|^2m—^)(-1)、其中:+exp (—/2附6) 5 ( + 2附a)。) & =exp[y(2m-l)e]5[co —(2m —l)(o0]+ exp [-_/— 1) 0] 5 [co + (2m — 1) co0 ]當①二2mco。和 co = (2m — l)co。時，<formula>formula see original document page 11</formula>取w = 1和m = 2 ,得離散傅立葉變換計算式<formula>formula see original document page 11</formula>可以通過離散傅立葉變換計算式，從而得到z,e，a。<formula>formula see original document page 11</formula>其中Re[F(co。;)]是尸(co。)的實部。本實例采用激光器l的波長為632.8nm，黑白光柵2的光柵常數(shù)為25L/mm，信號發(fā)生器4帶動光柵振動頻率為《。/2冗=125/^， 64位采樣數(shù)據(jù)，高速CCD傳感器分辨率為640*480、 210禎/秒、像元尺寸7. 4 y m*7. 4 y m，測量裝置的量 程范圍30mm，物體表面高度測量范圍為100pm，測量精度為1 U m。
權利要求
1、一種工件表面形貌精密測量裝置，其組成包括激光器(1)、光柵(2)、壓電陶瓷(3)、信號發(fā)生器(4)、聚焦透鏡(5)、光纖連接器(6)、光纖(7)、CCD探測器(9)和計算機(10)，其特征是激光器(1)位于光柵(2)前，壓電陶瓷(3)安裝在光柵(2)一側(cè)，信號發(fā)生器(4)通過導線與壓電陶瓷(3)相連，兩個聚焦透鏡(5)位于光柵(2)后，激光器出射光經(jīng)過光柵后產(chǎn)生多級衍射光，將其±1級衍射光斑經(jīng)過聚焦透鏡耦合入兩根光纖(7)中，光纖(7)的出射端形成兩個相干點光源投射到被測物(8)上，CCD探測器(9)采集工件表面的圖像并輸入計算機(10)。
2、 一種基于工件表面形貌精密測量裝置的測量方法，其特征是激光器出 射光經(jīng)過光柵后產(chǎn)生多級衍射光，將其±1級衍射光斑經(jīng)過聚焦透鏡耦合入兩根 光纖之中，在光纖的出射端形成兩個相干點光源；兩個光纖點光源發(fā)出的光束 具有相同的光強，從而獲得高對比度的干涉條紋，投射在工件上；當壓電陶瓷 帶動光柵做正弦振動時，耦合入兩根光纖中的±1級衍射光斑的位置不變而出射 端兩個光纖點光源產(chǎn)生的干涉條紋相位相應發(fā)生周期性變化；由高速CCD圖像 傳感器采集工件表面的干涉條紋圖像，用正弦相位算法精確的測量出干涉條紋 圖像的相位變化。
3、 根據(jù)權利要求2所述的基于工件表面形貌精密測量裝置的測量方法，其 特征是所述的光柵是黑白光柵，其傳遞函數(shù)的指數(shù)型傅立葉表達形式為<formula>formula see original document page 2</formula>其中尸分別為黑白光柵透光與不透光部分。
4、 根據(jù)權利要求3所述的基于工件表面形貌精密測量裝置的測量方法，其特征是所述的激光器出射光經(jīng)過光柵后產(chǎn)生多級衍射光的復振幅表達式為<formula>formula see original document page 2</formula>其中<formula>formula see original document page 3</formula>黑白光柵的+1， -l級衍射光的復振幅表達式為<formula>formula see original document page 3</formula>當+1， _1級衍射光斑經(jīng)光纖7后形成兩個相干點光源，其干涉條紋光強度 表達式如下<formula>formula see original document page 3</formula>其中^與5可以看成是與干涉條紋無關的常量；當黑白光柵2在X方向有一個位移/時，黑白光柵傳遞函數(shù)表達式，(+ 1， -l )級衍射光的復振幅表達式及干涉條紋光強的表達式相應變化為<formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于工件表面形貌精密測量裝置及測量方法。激光器出射光經(jīng)過光柵后產(chǎn)生多級衍射光，將其±1級衍射光斑經(jīng)過聚焦透鏡耦合入兩根光纖之中，在光纖的出射端形成兩個相干點光源；兩個光纖點光源發(fā)出的光束具有相同的光強，從而獲得高對比度的干涉條紋，投射在工件上；當壓電陶瓷帶動光柵做正弦振動時，耦合入兩根光纖中的±1級衍射光斑的位置不變而出射端兩個光纖點光源產(chǎn)生的干涉條紋相位相應發(fā)生周期性變化；由高速CCD圖像傳感器采集工件表面的干涉條紋圖像，用正弦相位算法精確的測量出干涉條紋圖像的相位變化。本發(fā)明可以克服光源光強和波長的波動對物體表面輪廓精密測量的影響，并實現(xiàn)大量程、高精度、非接觸測量的特點。
文檔編號G01B11/25GK101403608SQ20081013751
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月13日 優(yōu)先權日2008年11月13日
發(fā)明者徐彥德, 強 戴 申請人:哈爾濱工程大學