CN105606036B - 一种基于表面形貌数据的面形偏差检验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于面形偏差评价技术领域，涉及一种基于表面形貌数据的面形偏差评价方法。针对激光陀螺平面反射镜基片的高精度面形偏差测量，使用数字激光干涉仪和Matlab进行面形偏差参数的测量研究，实现了基于表面形貌数据的光学零件面形偏差自动判读评价方法。

Description

一种基于表面形貌数据的面形偏差检验方法

技术领域

本发明属于面形偏差检验技术领域，涉及一种基于表面形貌数据的面形偏差检验方法。

背景技术

随着高精度激光陀螺的发展，对反射镜基片的要求越来越高，而零件的面形偏差是表征反射镜基片表面加工质量的重要指标之一。面形偏差无论是对光线反射路径，还是对镜片与腔体光胶的密封性都有着重要的影响，因此需对其进行质量评价并监控。

在传统面形检测中，主要是靠有经验的检验员通过平面干涉仪或样板目视判读干涉条纹来完成，此方法需提前对员工进行培训，而且检验员的个体差异也会造成判读结果的差异，而且在检验判读过程中，会受到人员疲劳、粗心、情绪等情况的干扰，最终影响检测精度。目前有依据光学零件与样板的干涉图进行自动分析计算面形偏差的方法(干涉条纹图像的空域处理与应用研究[学位论文]魏彩云，2011-南京理工大学：光学工程)。但根据干涉图进行面形偏差的自动判读方法受干涉图的影响，而且由于面形偏差分为半径偏差N、象散偏差△₁N和局部偏差△₂N(《光学零件的面形偏差检验方法》GB2831-81)，必须先找到面形偏差中三个参数的各自最大的干涉图，其中的象散偏差需拍摄两张图，之后对干涉图进行计算才能得到面形偏差值，因而这种方法判读检测效率较低。

发明内容

本发明解决的技术问题为：提供一种基于表面形貌数据(用数字激光干涉仪进行测量采集)的，以Matlab为开发平台进行的面形自动计算分析方法。

本发明的技术方案为：所述的评价方法包括以下步骤：

步骤1.用数字激光干涉仪测量

1.1将所测零件背面涂覆深蓝色玻璃保护漆，待保护漆干后对被测零件进行测量；

1.2在测量参数选项中选择相应参数；

1.3将零件固定在测量用调整架上，调整干涉条纹为2条左右进行测量，并保存数据；

步骤2.用Matlab软件读取数据

用Matlab软件读取数字激光干涉仪保存的数据，确定有效数据区域并计算圆心坐标、半径；

步骤3.零件表面轮廓数据的预处理

3.1确定圆心零件的圆心和半径；

3.2根据周围矩阵点的值对计算时未落在矩阵上的点进行高度值的估算，

z(x,y)＝z(xs,ys)*(x-xb)*(y-yb)+z(xs,yb)*(xb-x)*(y-ys)+z(xb,ys)*(xs-x)*(y-yb)+z(xb,yb)*(xs-x)*(ys-y) (1)

(1)式中z(x，y)表示(x，y)坐标下点的高度值。xs表示小于x值的最大整数，ys表示小于y值的最大整数，xb表示大于x值的最小整数，yb表示大于y值的最小整数；

3.3判定任意直径的高低光圈，首先将直径对应的表面轮廓的数据进行二次曲线拟合，并判断其二次曲线的二阶导数的正负，正对应的为低光圈，负对应为高光圈；

4.计算面形偏差

4.1计算半径偏差

4.1.1去除边缘效应的影响

将测量区域边缘5个像素点的数据去掉，并以像素为单位进行采样；

4.1.2定义通过圆心的坐标系

以圆心为原点，数据矩阵的行作为X轴，矩阵的列作为Y轴；

4.1.3确定直径旋转的方向和步长

确定直径的起始角度、终止角度和旋转步长，直径以X轴正方向作为0°方向，向Y轴正方向逆时针旋转，至X轴负方向截止，共180，步进的步长为1°；

4.1.4确定每条直径上的表面轮廓数值

根据公式计算直径上任意一点的高度值，

z(x,y)＝z(xs,ys)*(x-xb)*(y-yb)+z(xs,yb)*(xb-x)*(y-ys)+z(xb,ys)*(xs-x)*(y-yb)+z(xb,yb)*(xs-x)*(ys-y) (2)

(2)式中z(x，y)表示(x，y)坐标下点的高度值。xs表示小于x值的最大整数，ys表示小于y值的最大整数，xb表示大于x值的最小整数，yb表示大于y值的最小整数；

通过确定采样单位和计算采样数据，确定每条直径上对应的表面轮廓数值；

4.1.5计算半径偏差

计算通过圆心的每个直径上对应的表面轮廓PV值，将此PV值作为该直径方向的半径偏差；

4.2计算象散偏差

4.2.1执行步骤4.1.1去除边缘效应的影响；

4.2.2执行步骤4.1.2定义通过圆心的坐标系；

4.2.3确定两条直径旋转的方向和步长

确定两条直径的起始角度、终止角度和旋转步长，其中一条直径以X轴正方向作为0°方向，向Y轴正方向逆时针旋转，至Y轴正方向截止，共90°，步进的步长为1°；另一条直径与在第一条直径上角度的基础上加90°，也就是从Y轴正方向，逆时针转到X轴负方向；

4.2.4执行步骤4.1.4确定每条直径上的表面轮廓数值；

4.2.5判定每条直径的光圈的高低

首先将直径对应的表面轮廓的数据进行二次曲线拟合，并判断其二次曲线的二阶导数的正负，正对应的为低光圈，负对应为高光圈；

4.2.6计算象散偏差

按照步骤4.1分别计算某一角度上的两条直径的半径偏差，并根据步骤4.2.5的方法计算出该角度两条直径的光圈的高低；

当两条直径的光圈高低方向相同时，用两个直径的半径偏差相减得出结果；高低方向不同的用两个直径对应的半径偏差相加得出结果，则该零件的半径偏差是该零件在90°上所有方向的半径偏差的最大值；

4.3计算局部偏差

找到零件表面轮廓高度上的最大值、最小值和中值，计算最大值与中值的差，中值与最小值的差，取其绝对值较大者作为局部偏差。

本发明的有益效果为：本发明是一种基于表面形貌数据的面形偏差检验评价方法。通过一次计算即可得到面形偏差的三个评价参数的值，测试重复性与检测效率都大大提高。解决了数字激光干涉仪测量结果与国标GB2831-81评价参数不对应的问题，并杜绝了人工检测时疲劳、粗心、情绪等情况干扰的影响。通过与波前干涉条纹检测法的结果进行比对，该方法能达到与样板同等或更高精度。

具体实施方式

本发明是一种基于数字激光干涉仪的测试数据，对激光陀螺反射镜基片进行面形自动计算的方法，它包括以下步骤：

1.用数字激光干涉仪测量

1.1将所测零件背面涂覆深蓝色玻璃保护漆，以消除零件上下表面平行度干涉条纹影响，待保护漆干后对被测零件进行测量。

1.2在测量参数选项中选择相应参数，以消除光路偏移和零件放置倾斜的影响。

1.3将零件固定在测量用调整架上，调整干涉条纹为2条左右进行测量，并进行数据保存。

2.用Matlab软件读取数据

Matlab读取数字激光干涉仪所保存的数据，得到以矩阵方式表示的表面轮廓数据立方体。

确定有效数据区域并计算圆心坐标、半径。干涉仪保存的测量数据对于没有测试对象的地方是用一个很大的固定值—2147483640表示，因此，数据值小于该值的为有效数据区域。

本发明针对的测量对象(反射镜基片)多是圆形，需做计算圆心坐标和半径,由于采集的数据是以像素为单位，因此圆心、半径归一化的最小单位皆选为像素。

3.零件表面轮廓数据的预处理

用计算机对读取的数据进行预处理，主要是确定圆心零件的圆心和半径，对计算时未落在矩阵上的点根据周围矩阵点的值进行该点的高度值的估算，及任意直径上表面轮廓高低光圈的判定。

3.1计算有效数据区域的确定及圆心坐标、半径。干涉仪保存的测量数据对于没有测试对象的地方是用一个很大的固定值—2147483640表示，因此，数据值小于该值的为有效数据区域。

本发明针对的测量对象(反射镜基片)多是圆形，需做计算圆心坐标和半径,由于采集的数据是以像素为单位，因此圆心、半径归一化的最小单位皆选为像素。

3.2计算未落在矩阵上的点的高度值。在计算半径偏差和象散偏差时，需沿测量区域圆周直径方向来计算分析，而数字激光干涉仪保存的数据是以像素为单位的矩阵形式存在的，并不是任意直径上单位长度的点都恰好落在矩阵的结点上，因此需计算未落在矩阵上的点的高度值。某一点的计算公式如下：

z(x,y)＝z(xs,ys)*(x-xb)*(y-yb)+z(xs,yb)*(xb-x)*(y-ys)+z(xb,ys)*(xs-x)*(y-yb)+z(xb,yb)*(xs-x)*(ys-y) (1)

(1)式中z(x，y)表示(x，y)坐标下点的高度值。xs表示小于x值的最大整数，ys表示小于y值的最大整数，xb表示大于x值的最小整数，yb表示大于y值的最小整数。

3.3判定任意直径的高低光圈。在计算象散偏差时，需要判断两个相互垂直方向的表面轮廓的高低光圈。首先将直径对应的表面轮廓的数据进行二次曲线拟合，并判断其二次曲线的二阶导数的正负，正对应的为低光圈，负对应为高光圈。

4.计算面形偏差

4.1计算半径偏差

计算半径偏差首先须去除边缘效应的影响；之后计算测量区域通过圆心的每条直径的上对应的表面轮廓最高点和最低点的差值(PV值)，并将此PV值作为该方向的半径偏差值；以零件上所有方向的半径偏差的最大值作为该零件的半径偏差值。

4.1.1去除边缘效应的影响

为防止边缘效应对计算半径偏差产生影响，将测量区域边缘5个像素点的数据去掉，并以像素为单位进行采样。

4.1.2定义通过圆心的坐标系

以圆心为原点，数据矩阵的行作为X轴，矩阵的列作为Y轴。

4.1.3确定直径旋转的方向和步长

为保障零件的所有方向的半径偏差都得到计算，需确定直径的起始角度、终止角度和旋转步长。直径以X轴正方向作为0°方向，向Y轴正方向逆时针旋转，至X轴负方向截止，共180°，步进的步长为1°。

4.1.4确定每条直径上的表面轮廓数值

数字激光干涉仪保存的数据是以像素为单位的矩阵形式存在的，因此直径上采样单位也以像素为单位。在任意角度的直径上，并不是每个单位长度的点都恰好落在矩阵的结点上，因此需计算未落在矩阵上的点的高度值。直径上任意一点的计算公式如下：

z(x,y)＝z(xs,ys)*(x-xb)*(y-yb)+z(xs,yb)*(xb-x)*(y-ys)+z(xb,ys)*(xs-x)*(y-yb)+z(xb,yb)*(xs-x)*(ys-y) (2)

(2)式中z(x，y)表示(x，y)坐标下点的高度值。xs表示小于x值的最大整数，ys表示小于y值的最大整数，xb表示大于x值的最小整数，yb表示大于y值的最小整数。

通过确定采样单位和计算采样数据，确定每条直径上对应的表面轮廓数值。

4.1.5计算半径偏差

计算通过圆心的每个直径上对应的表面轮廓PV值，将此PV值作为该直径方向的半径偏差。该零件的半径偏差是该零件在180°上所有方向的半径偏差的最大值。

4.2计算象散偏差

计算象散偏差是以两个相互垂直的直径为计算目标，分别计算其半径偏差，并判断其高低光圈；根据两条直径的高低光圈一致性与否和半径偏差，来计算其象散偏差；计算所有方向的象散偏差，取其最大值作为零件的象散偏差。

4.2.1去除边缘效应的影响(同4.1.1)

4.2.2定义通过圆心的坐标系(同4.1.2)

4.2.3确定两条直径旋转的方向和步长

为保障零件的所有方向的象散偏差都得到计算，需确定两条直径的起始角度、终止角度和旋转步长。其中一条直径以X轴正方向作为0°方向，向Y轴正方向逆时针旋转，至Y轴正方向截止，共90°，步进的步长为1°；另一条直径与在第一条直径上角度的基础上加90°，也就是从Y轴正方向，逆时针转到X轴负方向。

4.2.4确定每条直径上的表面轮廓数值(同4.1.4)

4.2.5判定每条直径的光圈的高低。

在计算象散偏差时，需要判断两个相互垂直方向的表面轮廓的高低光圈。首先将直径对应的表面轮廓的数据进行二次曲线拟合，并判断其二次曲线的二阶导数的正负，正对应的为低光圈，负对应为高光圈。

4.2.6计算象散偏差

按照4.1的方法分别计算某一角度上的两条直径的半径偏差，并根据4.2.5的方法计算出该角度两条直径的光圈的高低。该角度方向的象散偏差计算：当两条直径的光圈高低方向相同的，用两个直径的半径偏差相减得出结果；高低方向不同的用两个直径对应的半径偏差相加得出的结果。该零件的半径偏差是该零件在90°上所有方向的半径偏差的最大值。

4.3计算局部偏差

找到零件表面轮廓高度上的最大值、最小值和中值。计算最大值与中值的差，中值与最小值的差，取其绝对值较大者作为局部偏差。

根据国家标准《光学零件的面形偏差检验方法(光圈识别)》GB2831-81的规定，面形偏差是以等厚光波干涉原理进行检验。而光波干涉是由于光在待测表面与参考面的光程差不同所产生的，因而待测表面的高低起伏会对干涉条纹的形状产生影响，《光学零件的面形偏差检验方法》GB2831-81正是依靠干涉条纹的各种形状来进行判读的。本发明也是基于数字激光干涉仪测量得到待测表面的表面轮廓数据后，通过Matlab软件对数据进行读取，并通过特定的算法，将未落在数据矩阵点上的点的高度值，用其周围的矩阵点上的高度值来计算，之后通过指定的算法计算出待测表面的面形值。

Claims (1)

1.一种基于表面形貌数据的面形偏差检验方法，其特征为：所述的检验方法包括以下步骤：

步骤1.用数字激光干涉仪测量

1.1 将所测零件背面涂覆深蓝色玻璃保护漆，待保护漆干后对被测零件进行测量；

1.2 在测量参数选项中选择相应参数；

1.3 将零件固定在测量用调整架上，调整干涉条纹为2条进行测量，并保存数据；

步骤2.用Matlab软件读取数据

用Matlab软件读取数字激光干涉仪保存的数据，确定有效数据区域并计算圆心坐标、半径；

步骤3.零件表面轮廓数据的预处理

3.1 确定圆心零件的圆心和半径；

3.2 根据周围矩阵点的值对计算时未落在矩阵上的点进行高度值的估算，

z(x,y)＝z(xs,ys)*(x-xb)*(y-yb)+z(xs,yb)*(xb-x)*(y-ys)+z(xb,ys)*(xs-x)*(y-yb)+z(xb,yb)*(xs-x)*(ys-y) (1)

(1)式中z(x，y)表示(x，y)坐标下点的高度值,xs表示小于x值的最大整数，ys表示小于y值的最大整数，xb表示大于x值的最小整数，yb表示大于y值的最小整数；

3.3 判定任意直径的高低光圈，首先将直径对应的表面轮廓的数据进行二次曲线拟合，并判断其二次曲线的二阶导数的正负，正对应的为低光圈，负对应为高光圈；

步骤4.计算面形偏差

4.1 计算半径偏差

4.1.1 去除边缘效应的影响

将测量区域边缘5个像素点的数据去掉，并以像素为单位进行采样；

4.1.2 定义通过圆心的坐标系

以圆心为原点，数据矩阵的行作为X轴，矩阵的列作为Y轴；

4.1.3 确定直径旋转的方向和步长

确定直径的起始角度、终止角度和旋转步长，直径以X轴正方向作为0°方向，向Y轴正方向逆时针旋转，至X轴负方向截止，共180°，步进的步长为1°；

4.1.4 确定每条直径上的表面轮廓数值

根据公式计算直径上任意一点的高度值，

z(x,y)＝z(xs,ys)*(x-xb)*(y-yb)+z(xs,yb)*(xb-x)*(y-ys)+z(xb,ys)*(xs-x)*(y-yb)+z(xb,yb)*(xs-x)*(ys-y) (2)

(2)式中z(x，y)表示(x，y)坐标下点的高度值,xs表示小于x值的最大整数，ys表示小于y值的最大整数，xb表示大于x值的最小整数，yb表示大于y值的最小整数；

通过确定采样单位和计算采样数据，确定每条直径上对应的表面轮廓数值；

4.1.5 计算半径偏差

计算通过圆心的每个直径上对应的表面轮廓PV值，将此PV值作为该直径方向的半径偏差；

4.2 计算象散偏差

4.2.1 执行步骤4.1.1去除边缘效应的影响；

4.2.2 执行步骤4.1.2定义通过圆心的坐标系；

4.2.3 确定两条直径旋转的方向和步长

确定两条直径的起始角度、终止角度和旋转步长，其中一条直径以X轴正方向作为0°方向，向Y轴正方向逆时针旋转，至Y轴正方向截止，共90°，步进的步长为1°；另一条直径与在第一条直径上角度的基础上加90°，也就是从Y轴正方向，逆时针转到X轴负方向；

4.2.4 执行步骤4.1.4确定每条直径上的表面轮廓数值；

4.2.5 判定每条直径的光圈的高低

首先将直径对应的表面轮廓的数据进行二次曲线拟合，并判断其二次曲线的二阶导数的正负，正对应的为低光圈，负对应为高光圈；

4.2.6 计算象散偏差

按照步骤4.1分别计算某一角度上的两条直径的半径偏差，并根据步骤4.2.5的方法计算出该角度两条直径的光圈的高低；

当两条直径的光圈高低方向相同时，用两个直径的半径偏差相减得出结果；高低方向不同的用两个直径对应的半径偏差相加得出结果，则该零件的半径偏差是该零件在90°上所有方向的半径偏差的最大值；

4.3 计算局部偏差

找到零件表面轮廓高度上的最大值、最小值和中值，计算最大值与中值的差，中值与最小值的差，取其绝对值较大者作为局部偏差。