一種快速表面質量測量裝置的製作方法

2023-07-09 08:26:36

專利名稱：一種快速表面質量測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光學計量儀器，尤其是涉及一種快速表面質量測量裝置。
背景技術：
表面質量檢測影響著絕大部分工業產品的性能，據調查90%以上的工程部件失效 是從表面開始的。因此，在產品加工過程中對表面質量包括面形、波度、粗糙度等的檢測能 夠準確地控制加工程序以使產品獲得最佳的質量和使用壽命，並減少廢品率。對於高精密 加工來講，在線測量顯得尤其重要。另外，在線表面檢測也能及時發現加工刀具的磨損狀況 並在其損壞之前進行更換。由於加工 過程中的環境限制，一般要求在線檢測方法必須具有 非接觸、速度快、抗幹擾的特點。目前，在線檢測大都基於光學方法，其中光學散射方法是一種比較成熟的技術，它 利用入射到被測表面其上的雷射的散射光在散射方向、偏振態、散斑對比度等方面與表面 粗糙度的聯繫，通過統計分析能夠較為準確地獲得被測表面的粗糙度信息。但其缺點是它 無法定量地測量表面波度和面形，其有效性常常受到被測工件加工工藝的影響。幹涉儀則可以很好地彌補散射方法的上述缺點，具有高精度、定量分析的特點，能 夠準確地獲得被測表面的面形、波度、粗糙度等信息。其中白光幹涉儀和波長掃描幹涉儀都 可以獲得nm級的測量解析度，且由於具有採用低相干光或可調諧光作為光源，不存在單頻 雷射幹涉儀的相位不確定問題，能夠測量粗糙表面和結構面。但是，若應用到在線測量還需 要解決兩個重要的問題，即抗幹擾能力和測量速度。在線測量往往需要在震動、空氣擾動等 比較明顯的加工環境進行，因此對測量裝置的抗幹擾能力要求比較高，而一般的光學幹涉 儀是難以勝任的；同時，為了縮短生產時間、提高加工效率，要求幹涉方法應能在較短的時 間內完成，最好能夠數秒內產生結果，這對白光幹涉儀和波長掃描幹涉儀都提出了挑戰。
發明內容本實用新型的目的是提供一種快速表面質量測量裝置，它包含兩套共光路的幹涉 儀，其中一套補償噪聲用參考幹涉儀是專門用於檢測環境中的振動、空氣擾動等噪聲，通過 負反饋消除這些背景噪聲幹擾的影響。另一套測量用主幹涉儀採用聲光濾光器控制入射到 幹涉儀的光波長，利用基於GPGPU的大規模並行運算對產生的幹涉信號進行處理，能夠迅 速地獲得被測表面的三維形貌。本實用新型採用的技術方案是包括兩套耦合在一起的幹涉儀組成，其中1) 一套測量用主幹涉儀包括數據採集卡，計算機，圖像採集卡，三個分光鏡，相 機，兩個物鏡，參考反射鏡，成像透鏡，準直鏡，可調諧濾光器、白光光源和濾光器驅動單元； 白光光源發出的入射光，經過可調諧濾光器、準直鏡後成為平行光、經第一分光鏡至第二分 光鏡後，將入射光分為兩路，一路光經第一物鏡入射到參考鏡上，另一路經第二物鏡入射到 被測樣品表面，入射到參考鏡和被測樣品表面上的光分別被反射後重新在第二分光鏡處疊加形成幹涉，幹涉光經成像透鏡、第三分光鏡後重新分成兩路光，其中分光鏡對白光發出的光全透過，經圖像採集卡、計算機處理後獲得被測樣品的面形，可調諧濾光器的輸出波長由 計算機經由數據採集卡1改變濾光器驅動單元的輸出頻率來控制；2) 一套補償噪聲用參考幹涉儀包括擴束器，雷射器，探測器，伺服控制電路和補償壓電陶瓷；雷射器發出的雷射經擴束器經第一分光鏡後與白光光源耦合在一起，對雷射 器發出的雷射在第三分光鏡處被反射至探測器轉變為光電信號，伺服控制電路利用此光電 信號控制補償壓電陶瓷來抑制環境噪聲對測量的幹擾。所述的伺服控制電路採用PID閉環控制單元。所述的濾光器驅動單元是採用通過對濾光器施加一定頻率的電信號來選擇不同 波長的光通過濾光器。本實用新型具有的有益效果是1.實時測量由於聲光濾光器具有極短的反應時間(微秒級)，且測量過程中無 需機械光程掃描，可以達到很快的測量速度。平均1-2秒就能更新一次，經過優化後可望更 快。能為加工生產節省大量寶貴時間。2.抗幹擾加工環境中各種幹擾無法避免，一般幹涉儀測量時間長，對振動等噪 聲很敏感。本方案一方面提高測量速度，再加上主動光路補償技術，可以儘可能減少環境噪 聲對測量帶來的影響，可用於幹擾較多的加工車間裡。3.高精度可以達到亞納米級的測量精度，基本滿足超精密加工過程中的表面檢 測精度需求。4.造價較為低廉省去了通常昂貴的高精度平移臺。
附圖是本實用新型的結構原理示意圖。圖中1、數據採集卡，2、計算機，3、圖像採集卡，4、分光鏡，5、相機，6、探測器，7、物 鏡，8、伺服控制電路，9、補償壓電陶瓷，10、參考反射鏡，11、成像透鏡，12、被測樣品，13、物 鏡，14、分光鏡，15、分光鏡，16、準直鏡，17、可調諧濾光器，18、白光光源，19、擴束器，20、濾 光器驅動單元，21、雷射器。
具體實施方式
如附圖所示，本實用新型包括包括兩套耦合在一起的幹涉儀組成，其中1) 一套測量用主幹涉儀包括數據採集卡1，計算機2，圖像採集卡3，三個分光鏡 4、14、15，相機5，兩個物鏡7、13，參考反射鏡10，成像透鏡11，準直鏡16，可調諧濾光器17、 白光光源18和濾光器驅動單元20 ；白光光源18發出的入射光，經過可調諧濾光器17、準直 鏡16後成為平行光、經第一分光鏡15至第二分光鏡14後，將入射光分為兩路，一路光經第 一物鏡7入射到參考鏡10上，另一路經第二物鏡13入射到被測樣品12表面，入射到參考 鏡10和被測樣品12表面上的光分別被反射後重新在第二分光鏡14處疊加形成幹涉，幹涉 光經成像透鏡11、第三分光鏡4後重新分成兩路光，其中分光鏡4對白光18發出的光全透 過，經圖像採集卡3、計算機2處理後獲得被測樣品的面形，可調諧濾光器17的輸出波長由 計算機2經由數據採集卡1改變濾光器驅動單元20的輸出頻率來控制；[0021]2) 一套補償噪聲用參考幹涉儀包括擴束器19，雷射器21，探測器6，伺服控制電路8和補償壓電陶瓷9 ；雷射器21發出的雷射經擴束器19經第一分光鏡15後與白光光源 18耦合在一起，對雷射器21發出的雷射在第三分光鏡4處被反射至探測器6轉變為光電信 號，伺服控制電路8利用此光電信號控制補償壓電陶瓷9來抑制環境噪聲對測量的幹擾。所述的伺服控制電路8採用PID閉環控制單元。如Ocean Controls公司的附100 型PID控制器，它通過閉環控制來驅動補償壓電陶瓷9改變系統光程差，使得探測器6獲得 的光電信號保持穩定，以抑制環境噪聲對測量的幹擾。所述的濾光器驅動20單元是採用通過對濾光器17施加一定頻率的電信號來選擇 不同波長的光通過濾光器。如Gooch and Housego公司的64020-200-2ADMDFS-A型濾光器 驅動單元。與一般白光幹涉測量裝置所不同的是，本測量裝置不依賴光程掃描，測量時不需 要任何機械運動，因此可以實現快速實時測量。其關鍵點是使用了聲光濾光技術，由被測表 面和參考鏡反射回來的光在分光鏡2處疊加形成幹涉，隨後進入聲光濾光器。聲光濾光器 具有波長選擇作用，通過對其施加不同的驅動頻率，可以使各個波長的幹涉圖案依次出射 到相機上，通過對這些幹涉圖案進行處理即可獲得被測表面的形貌，繼而分離出所需要的 表面粗糙度、波度、面形等參數。為了消除環境噪聲對測量可靠性和精度的影響，本方案採用了共路原理。參考幹 涉儀的光源與測量光(白光)在二色鏡處合併後沿著相同的光路傳播並分別照射在被測表 面和參考鏡上，其幹涉信號由探測器獲取。由於二者所經路徑相同，兩個幹涉儀經歷的噪聲 也相同，這些噪聲會造成探測器所測得的光強或者位相發生變化，該變化量通過反饋控制 單元後可驅動補償壓電陶瓷對環境噪聲進行相應補償。測量用主幹涉儀的具體工作原理是由白光光源18發出的光，經過可調諧濾光器後僅有特定波長的光通過，且該波長 可以通過改變加在濾光器驅動20的頻率來調節，經過準直鏡16後成為平行光，隨後由分光 鏡14將入射光分為兩束，其中一束光入射到參考鏡10上，另外一路入射到被測樣品12表 面，物鏡7和物鏡13的作用是將光聚焦在相應表面上，入射到參考鏡10和被測樣品12上 光分別被反射後重新在分光鏡14處疊加起來形成幹涉，通過成像透鏡11後被相機5接收， 通過圖像採集卡3可由計算機2獲取並進行後續的信號處理，得到被測表面的三維形貌，繼 而分離出所需要的表面粗糙度、波度、面形等參數。濾光器的波長選擇和相機的幹涉圖像採 集均由計算機控制。補償噪聲用參考幹涉儀的具體工作原理是由雷射器21發出的單色光經過擴束器19擴大光斑直徑後在分光鏡15處於白光 光源耦合在一起，為了提高光能的利用率，分光鏡15可以採用對白光透過率高且對雷射波 長的反射率高的設計。在分光鏡15與分光鏡4之間的光路中，雷射與白光(經過濾光器濾 過後的光)的傳播路徑重合，最後由探測器6獲得雷射的幹涉信號。由於兩個幹涉儀的光 路重合，環境幹擾(如繼續振動、空氣擾動、溫度漂移等)對兩幹涉儀光程差的變化也相似， 因此可以通過監測探測器6的光強變化來獲取環境幹擾的情況，並通過伺服控制電路8的 反饋控制補償PZT抵消環境幹擾帶來的影響，因此本實用新型能夠用於幹擾較多的加工車 間裡。[0030]幹涉信號的處理相機上某像素點(x，y)(對應於樣品表面某點(x』，y』))探測到 的光強可以表示為formula see original document page 6式中a(x，y，k)和b(x，y，k)分別表示背景光強和幹涉條紋的對比度，k是波數及 光波長的倒數l/λ，h(x，y)表示幹涉儀的兩臂光程差.幹涉信號的位相識&乂·勾由下式給出
formula see original document page 6通過連續改變加在可調諧濾光器的信號頻率可以連續改變進入幹涉儀的波數，由 (2)式可以看出，此時幹涉信號的位相也會產生連續改變，
formula see original document page 6可知位相的變化量與波數的變化量成正比，則光程差h(x，y)可以表示為formula see original document page 6分別計算CCD上各個像素的光程差，則可以獲得被測表面的各點高度相對值，從 而得到被測表面的信息。為了提高幹涉信號的處理速度，本實用新型提出基於通用GPU的大規模並行算 法，能夠數十倍地提高信號處理速度。該方法相較其他方法具有不需要特殊的硬體配置、自 成體系、不明顯增加處理成本、通用性強等優點。
權利要求一種快速表面質量測量裝置，其特徵在於包括兩套耦合在一起的幹涉儀組成，其中1)一套測量用主幹涉儀包括數據採集卡(1)，計算機(2)，圖像採集卡(3)，三個分光鏡(4、14、15)，相機(5)，兩個物鏡(7、13)，參考反射鏡(10)，成像透鏡(11)，準直鏡(16)，可調諧濾光器(17)、白光光源(18)和濾光器驅動單元(20)；白光光源(18)發出的入射光，經過可調諧濾光器(17)、準直鏡(16)後成為平行光、經第一分光鏡(15)至第二分光鏡(14)後，將入射光分為兩路，一路光經第一物鏡(7)入射到參考鏡(10)上，另一路經第二物鏡(13)入射到被測樣品(12)表面，入射到參考鏡(10)和被測樣品(12)表面上的光分別被反射後重新在第二分光鏡(14)處疊加形成幹涉，幹涉光經成像透鏡(11)、第三分光鏡(4)後重新分成兩路光，其中分光鏡(4)對白光(18)發出的光全透過，經圖像採集卡(3)、計算機(2)處理後獲得被測樣品的面形，可調諧濾光器(17)的輸出波長由計算機(2)經由數據採集卡(1)改變濾光器驅動單元(20)的輸出頻率來控制；2)一套補償噪聲用參考幹涉儀包括擴束器(19)，雷射器(21)，探測器(6)，伺服控制電路(8)和補償壓電陶瓷(9)；雷射器(21)發出的雷射經擴束器(19)經第一分光鏡(15)後與白光光源(18)耦合在一起，對雷射器(21)發出的雷射在第三分光鏡(4)處被反射至探測器(6)轉變為光電信號，伺服控制電路(8)利用此光電信號控制補償壓電陶瓷(9)來抑制環境噪聲對測量的幹擾。
2.根據權利要求1所述的一種快速表面質量測量裝置，其特徵在於所述的伺服控制 電路(8)採用PID閉環控制單元。
3.根據權利要求1所述的一種快速表面質量測量裝置，其特徵在於所述的濾光器驅 動(20)單元是採用通過對濾光器(17)施加一定頻率的電信號來選擇不同波長的光通過濾 光器。
專利摘要本實用新型公開了一種快速表面質量測量裝置。包含兩套共光路的幹涉儀，其中一套補償噪聲用參考幹涉儀包括擴束器(19)，雷射器(21)，探測器(6)，伺服控制電路(8)和補償壓電陶瓷(9)，是專門用於檢測環境中的振動、空氣擾動等噪聲，通過負反饋消除這些背景噪聲幹擾的影響。另一套測量用主幹涉儀包括數據採集卡(1)，計算機(2)，圖像採集卡(3)，三個分光鏡(4、14、15)，相機(5)，兩個物鏡(7、13)，參考反射鏡(10)，成像透鏡(11)，準直鏡(16)，可調諧濾光器(17)、白光光源(18)和濾光器驅動單元(20)，採用聲光濾光器控制入射到幹涉儀的光波長，利用基於GPGPU的大規模並行運算對產生的幹涉信號進行處理，能夠迅速地獲得被測表面的三維形貌。本實用新型能實時測量，且測量過程中無需機械光程掃描，可以達到很快的測量速度，平均1-2秒就能更新一次，經過優化後可望更快；加上主動光路補償技術，減少環境噪聲對測量帶來的影響；達到亞納米級的測量精度；造價較為低廉，省去了通常昂貴的高精度平移臺，它可用於幹擾較多的加工車間裡。
文檔編號G01B9/02GK201569419SQ20092020006
公開日2010年9月1日 申請日期2009年11月16日 優先權日2009年11月16日
發明者曹衍龍, 楊將新, 汪凱巍, 汪琛琛, 金鷺 申請人:浙江大學