[发明专利]基于变焦技术的物体表面三维粗糙度测量方法

说明书

本发明公开了一种基于变焦技术的物体表面三维粗糙度测量方法，该测量系统包含有如下硬件：“L”型z向支承架、步进电机、滚珠丝杠、一对丝杠螺母座、上限位开关、下限位开关、滑动联结块、限位开关挡板、由光学镜头和图像传感器组成的光学探头、标尺光栅和光栅读数头；在光学探头与被测物体处于不同的z向距离下，采集从离焦到聚焦再到离焦的图像序列；通过软件编程，主要运用数字图像相关法和对焦评价函数对采集到的图像序列进行处理，并运用粗糙度计算公式得到物体表面的三维粗糙度评定参数。本发明能够测量具有多种形状，不同材质，不同表面反射率的复杂几何结构的三维表面粗糙度，且测量精度可以达到微纳米级别。

技术领域

本发明涉及一种表面三维粗糙度光学变焦测量方法，尤其适用于关键零部件加工方面。

背景技术

高精度的粗糙度测量对零部件加工精度和性能的提高及测量仪器乃至我国测控行业的发展都有着重要作用，所以研究高精度的粗糙度测量方法具有重要意义。

目前，对于复杂几何结构的粗糙度测量方法主要分为两大类：接触式测量和非接触式测量。接触式测量方法有三坐标测量机和轮廓仪，但工业应用的三坐标测量机的综合精度只能达到微米等级，轮廓仪的机械探针在测量时易划伤被测表面，且存在有接触应力和形变。非接触式测量方法有白光干涉仪、自变焦显微镜和扫描探针显微镜等。但它们都难以测量梯度很大的坡度表面，白光干涉仪和自变焦显微镜横向分辨率有限，扫描探针显微镜受到纵向测量范围的限制，一般只用于二维粗糙度测量。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足之处，提供一种基于变焦技术的物体表面三维粗糙度测量方法，以期能实现对具有不同材质、不同表面反射率、多种形状和陡峭侧壁的复杂几何结构的微纳三维表面粗糙度测量，并提高测量精度达到微纳米级别。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明一种基于变焦技术的物体表面三维粗糙度测量系统的测量方法，所述物体表面三维粗糙度测量系统包括：“L”型z向支承架、步进电机、滚珠丝杠、光学探头、一对丝杠螺母座、上限位开关、下限位开关、滚珠螺母联结块、限位开关挡板、标尺光栅、光栅读数头；

在所述“L”型z向支承架的纵向面内侧左上方固定有所述步进电机；所述步进电机的转动轴通过联轴器和所述滚珠丝杠连接，在所述滚珠丝杠上安装有一对丝杠螺母座；在所述一对丝杠螺母座之间的“L”型z向支承架上设置有所述上限位开关和下限位开关；在所述滚珠丝杠上设置有所述滚珠螺母联结块；在所述滚珠螺母联结块的左侧设置有所述限位开关挡板，使得所述滚珠螺母联结块的运动行程限定在所述上限位开关和下限位开关之间的滚珠丝杠上；所述滚珠螺母联结块的另一侧与所述光学探头相连接；在所述“L”型z向支承架上，所述滚珠丝杠的右侧竖直安装有一直线导轨副，所述光学探头通过导轨滑块连接在所述直线导轨幅上，在所述滚珠螺母联结块的带动下上下移动；在所述光学探头朝向所述滚珠丝杠的一侧下方设置有所述光栅读数头，与所述光栅读数头相对应的标尺光栅固定在所述“L”型z向支承架上；在所述光学探头的正下方设置有被测物体；

所述光学探头包括：图像传感器、镜筒透镜、分光镜、显微物镜、准直镜、照明光源；其中，所述图像传感器、镜筒透镜、分光镜、显微物镜是按从上到下的顺序依次排列的；所述准直镜在所述分光镜的右侧，所述照明光源在所述准直镜的右侧；

所述照明光源发出的光经过所述准直镜后形成平行光束打到所述分光镜上，由所述分光镜反射的光线经过所述显微物镜照射到所述被测物体的表面，经所述被测物体的表面反射后，再依次通过所述显微物镜、所述分光镜和镜筒透镜最终到达所述图像传感器上；从而通过所述图像传感器采集到一幅所述被测物体的成像图像；通过照明光源调制系统，获取具有不同曝光量的图像；