[发明专利]一种基于激光聚焦测头焦点自动搜索的曲面形貌测量方法

说明书

本发明涉及一种基于激光聚焦测头焦点自动搜索的曲面形貌测量方法，包括下列步骤：改进基于像散法的激光聚焦探测头的组成，利用PZT带动显微物镜进行周期扫描；调整待测工件的姿态，使工件放置于测头测量的景深内，设置合理的PZT的振动频率和采集卡的采集频率；收集一个周期的数据集；确定拟合区域；线性拟合：通过Levenberg‑Marquadt最小二乘直线拟合或者回归分析；计算曲面相对高度。

技术领域

本发明属于表面形貌质量检测装置技术领域，具体涉及一种曲面形貌测量方法。

背景技术

随着光学自由曲面的在现代光学设计的广泛应用，非接触式三维形貌测量方法和技术受到越来越广泛重视，对于非接触式三维形貌的测量，出现了如白光干涉仪，激光干涉，共聚焦显微镜，彩色共聚焦点位移传感器等设备和对应的测量方法，但是上述设备都比较昂贵，限制了测量方法和设备的推广。对于光学自由曲面的形貌测量，基于聚焦探测原理的激光测量是一种较便宜和较为便利的测量方案，目前已有诸多的学者进行研究。因为激光聚焦测头传统测量方法的自动化程度不高，限制了其应用，本专利就是为了解决激光聚焦测头的自动化测量的瓶颈问题。

以往利用激光聚焦探测原理进行测量的时候，首先借助超精密位移设备，在其线性范围进行采样和标定，得到聚焦信号和位移量的一一函数映射关系。利用我们得到的函数映射关系，实现对于光学自由曲面沿着光轴方向的相对位移测量；其次，高精度位移平台，进行三维形貌的测量和重建。传统的激光聚焦测量方法是，对于每一个待测量的工件都要对其进行采样数据和建立函数映射关系，极其不方便，大大限制了激光聚焦探测方法的推广。因而开发一种快速的自动聚焦算法和设备，对于利用激光聚焦探测原理实现光学自由曲面测量具有重要的实用意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种曲面形貌测量方法，。该方法简化以往不同器件都需要标定的步骤，提高测量效率。技术方案如下：

一种基于激光聚焦测头焦点自动搜索的曲面形貌测量方法，包括下列步骤：

(1)改进基于像散法的激光聚焦探测头的组成，利用PZT带动显微物镜进行周期扫描；

(2)调整待测工件的姿态，使工件放置于测头测量的景深内，设置合理的PZT的振动频率和采集卡的采集频率；

(3)PZT按照正弦或余弦运动一个周期，同时收集一个周期的数据集，数据集D＝(X； Y),X是FES电压值向量；Y是PZT坐标值向量，数据集是来自FES电压信号和PZT坐标值电压信号；

(4)根据上一步记录的数据集D＝(X；Y)，确定拟合区域：通过对数据集D进行排序查找，确定FES在线性区域内最接近0的一个初始点(x0,y0)，同时确定含有一个初始点(x0,y0) 的一个小区间向量(Xi，Yi)，它属于D＝(X；Y)；

(5)线性拟合：对数据集(Xi，Yi)通过Levenberg-Marquadt最小二乘直线拟合或者回归分析得到方程y＝f(x)；

(6)计算曲面相对高度，聚焦时候FES的电压为0，高度即为f(0)，测量是否完成，若未完成则转到步骤(3).若完成则转到步骤(7)；

(7)当激光聚焦测头聚焦于在待测曲面时候，收集所有的PZT坐标点集，从而间接得到待测工件曲面连续的高度变化。

附图说明

图1：测量光路原理示意图；

图2：算法原理图流程图；

图3：测量过程示意图；

具体实施方式