[发明专利]一种基于数字全息的石英振梁加速度计摆片的三维形貌检测方法

说明书

本发明公开了一种基于数字全息的石英振梁加速度计摆片的三维形貌检测方法。该发明采用像面数字全息技术，获取摆片表面的全息图，利用参考全息图补偿高阶像差，对再现相位图进行解包裹运算，进而获得摆片表面的三维形貌。同时对挠性支撑结构采用双波长数字全息记录方法，分段测量挠性支撑结构的三维形貌，通过计算系统景深及轴向成像范围，多步再现，数字扩展景深，最后对各段测量结果曲面拟合，完成挠性支撑结构的三维重构。本发明因数据处理过程完全数字化，具有检测速度快、测量精度高、无损伤、三维面测量等优点，适用于多种加速度计摆片表面三维形貌检测，本发明可用于加速度计摆片的质量检测等。

技术领域

本发明涉及一种基于数字全息的石英振梁加速度计金属挠性摆片的三维形貌检测方法，可用于检测石英振梁加速度计金属挠性摆的残余变形量、表面平面度，以及挠性支撑结构的三维形貌。

背景技术

石英振梁加速度计是一种基于石英振梁力频特性的新型高精度固态传感器，直接输出频率正比于加速度大小的加速度计，在航空航天等领域有着广泛应用前景，摆片结构的加工精度直接制约着加速度计的整体性能，其中挠性支撑是加速度计零部件中加工难度较大、精度要求较高的部分，并且金属挠性摆在加工过程中因应力释放所产生的残余变形如摆舌翘曲，会影响石英振梁的力频特性，进而影响仪表的测量精度。目前常用的摆片三维形貌及平面度检测方法是接触式三坐标测量仪，但这种方法首先需要接触式测量，会对表面产生一定损伤，且不适合测量摆舌在重力下的翘曲量，其次面测量需要扫描机制，测量周期长。数字全息技术作为一种非接触式三维形貌测量方法，具有高精度、无损检测、单次曝光三维定量检测等特点，非常适用于高精密工业零件的三维形貌检测。

在数字全息图像获取过程中，为了重建金属挠性摆片的残余变形量及表面平面度，需要在无外力作用下测量，即摆舌不能受到重力的影响产生变形，因此摆片应安装在水平调整平台上，且垂直平台放置。此外，因加工精度及应力释放原因，会使摆片基准面与摆舌不共面，且摆片表面粗糙度低，测试光束经表面反射后近镜面反射，因此在传统的菲涅尔全息光路中，测量光束被反射后难以被探测器同时记录，进而导致重建图像模糊，分辨率降低，严重影响三维重建质量。在保证工作距离一定情况下，采用像面全息光路系统记录摆片表面的光场信息，同时采用大通光口径的消色差透镜，尽可能的接收被测表面的光场信息，由于采用了像面全息技术，引入的成像透镜不可避免的带来了波前像差，因此，需要在测量过程中还需对其进行精确补偿，此外，挠性支撑结构因视场小，纵向范围大，曲面结构原因，需单独设计数字全息显微光学系统搭配多波长数值再现技术，并结合景深扩展算法精确重建挠性支撑结构的三维形貌。

发明内容

本发明为了解决石英振梁加速度计挠性金属摆的表面质量检测问题，提出一种基于数字全息的石英振梁加速度计金属挠性摆三维形貌检测方法。基于数字全息技术，分别记录反射镜与摆片的全息图，以反射镜图像作为参考全息图以补偿成像透镜带来的波前误差，再对再现相位图像的基准面进行一阶补偿，矫正图像倾斜，对包裹相位图解包裹获得金属挠性摆表面的三维形貌；再采用双波长数字全息显微技术测量挠性支撑结构，最后，结合摆片表面测量结果与挠性支撑结构的三维形貌测量结果，对摆片质量进行检测判断。

本发明是一种基于数字全息的石英振梁加速度计金属挠性摆三维形貌检测方法，由于挠性支撑结构与摆片基准面及摆舌的面形特征差异明显，同一套测量系统难以同时满足两种结构的检测要求，因此将摆片的三维形貌测量过程分两部分：第一步，摆片表面的三维测量；第二步，挠性支撑结构的三维形貌测量。首先，在摆片表面平面度及残余变形的测量过程中，由于摆片基准面及摆舌表面存在光滑连续的特征，采用单波长像面数字全息方法即可精确重建表面三维形貌，由于引入像面全息技术，成像镜头会不可避免带来波前像差，因此需对其精确补偿，所以在测量过程中利用参考全息图对其初步补偿，再对补偿后再现相位图进一步补偿倾斜误差；其次，对于挠性支撑结构的三维形貌测量，因挠性支撑结构视场小、纵向范围大、曲面结构的特点，采用双波长数字全息显微测量方法，分别记录两种波长的数字全息图，数值重建合成波长相位图，其中，因挠性支撑结构纵向范围大于系统景深，且反射光动态范围大，因此采用对挠性支撑结构分段测量方案，最后通过拟合重建挠性支撑结构的完整三维形貌。具体步骤如下：