[发明专利]表面形貌抗振干涉测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种表面形貌特征的测量方法。

技术背景

随着精密加工技术的飞速发展，精密检测技术所面临的挑战日益严峻，以表面测量为代表的现代精密测量技术也受到了越来越多的关注。在表面测量技术中，光学干涉测量具有非接触、快速性、高精度等优点，并能准确直观地获取被测工件8表面的面形、波纹度以及粗糙度等信息。

相移干涉仪在精密测量领域占有重要的地位，获得了比较广泛的应用，但其采用激光或单波长光源作为系统的测量光源，会产生相位不确定问题，限制了测量深度。白光垂直扫描干涉仪采用低相干光源作为其测量光源，解决了相位不确定问题，但实现轴向的垂直扫描需要昂贵的微位移平台，这也在一定程度上限制了数据采集速度。为了取代垂直扫描干涉仪中的机械运动部件，可使用波长可调节激光源或白光源加上可控的波长扫描装置来实现波长扫描。

为了控制产品加工质量、提高生产效率以及降低废品率，发展表面形貌在线测量方法至关重要。但是，工业现场往往存在着大量的机器运转振动噪声，空气扰动噪声等，对测量系统产生了极大的干扰。因此，增强白光波长扫描干涉测量仪的抗干扰能力，开展表面形貌伺服抗振系统的研制，提高系统的可靠性，具有非常重要的意义。而采用白光光源进行表面测量时，现有的振动补偿方法是附加一个激光光源或单波长光源作为参考干涉仪，这样测量系统中将集成两个光源，将导致系统结构复杂，价格昂贵。

发明内容

为了克服现有技术需要增设参考干涉仪进行振动补偿的缺点，本发明提供了一种只需使用一个光源即可实现振动补偿的表面形貌抗振干涉测量系统。

表面形貌抗振干涉测量系统，包括白光光源，将白光光源过滤成单色光的声光可调滤光器（AOTF），和使单色光分成两路的第一分光镜，一路单色光经第一物镜7入射到被测工件8，另一路单色光经第二物镜10入射到参考反射镜11，入射到被测工件8和参考反射镜11的单色光被反射后在第一分光镜处汇合并产生干涉，干涉光经第二分光镜16分成两路，第一路干涉光进入用于获取被测工件8的表面形貌的测量模块，第二路干涉光进入用于抑制噪声干扰的补偿模块；声光可调滤光器依次与驱动器，单片机扫频模块21和声光可调滤光器与DSP模块控制单元连接，单片机扫频模块21由声光可调滤光器与DSP模块控制单元触发；

测量模块包括CCD相机17和计算机18，测量模块工作时单片机扫频模块21采用低速扫频模式，第一路干涉光经第一成像透镜15进入CCD相机17，CCD相机17采集第一路干涉光形成的干涉图像并将干涉图像输入计算机18中，计算机18计算获得被测工件8的表面三维形貌，被测工件8上任意点的高度值                                               的计算公式为：

；

其中，，为随时间快速变化的波数，为标准块的高度，为已知量；

声光可调滤光器与DSP模块控制单元受控于计算机18；补偿模块包括光电探测器，DSP控制模块和压电陶瓷，补偿模块工作时单片机扫频模块21采用高速扫频模式，第二路干涉光经第二成像透镜19进入光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号并将该电信号输入DSP控制模块，DSP控制模块计算出需要补偿的光程差，，其中为振动起始时刻的相位；为随时间快速变化的波数，与AOTF的控制相关；为高速扫频起始时刻的单臂光程差，为高速扫频结束时刻的单臂光程差；压电陶瓷受控于DSP控制模块，压电陶瓷与参考反射镜11固定，压电陶瓷的形变长度等于参考反射镜11移动的距离。

进一步，白光光源与声光可调滤光器之间依次设有使白光形成点光源的第一光阑2，和将点光源分散成平行光的第一准直镜。

进一步，声光可调滤光器与第一分光镜之间依次设有第二光阑5和第二准直镜。

进一步，声光滤光器驱动器22的输出频率由单片机扫频模块21控制，所述的单片机扫频模块21对驱动器施加不同频率的电信号，声光滤光器从白光源中过滤出不同波长的单色光。

本发明具有如下有益效果：

1、在线测量。本发明采用声光可调滤光器作为波长扫描装置，其响应速度很快，可达微秒级，且测量中无需机械运动部件，完全采用计算机18控制来实现波长扫描。整个测量过程时间很短，可应用于工业现场，提高产品加工效率。

2、抗干扰能力强。工厂环境中各种噪声干扰不可避免，而通常的表面干涉仪对振动噪声比较敏感，且测量时间长，无法应用于工业现场。本发明采用一种主动抗振补偿技术，能有效抑制环境噪声的影响，提高测量的稳定性与准确性。