CN108662993A - 一种基于光学散射原理的表面粗糙度检测*** - Google Patents

一种基于光学散射原理的表面粗糙度检测*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光学散射原理的表面粗糙度检测***，包括光源、会聚镜组、针孔、准直镜组、可变光阑、待测样品、聚焦镜组、光电探测器、消光陷阱、数据处理***。光源发出的光波经过会聚镜组会聚为细光束，再经针孔滤波后，准直镜组将经过针孔的光束变换为准直光束，通过可变光阑控制入射到待测样品表面光斑的大小，入射到待测样品表面的光束经待测样品向半球空间散射，聚焦镜组将散射到半球空间的部分光束能量收集于光电探测器，光电探测器倾斜一定角度放置，消光陷阱用于收集因光电探测器窗口表面产生的镜面反射光束，经数据处理***获得待测样品的表面粗糙度。本发明具有快速、非接触、不损伤工件表面、可进行在线测量等优点。

Description

一种基于光学散射原理的表面粗糙度检测***
技术领域
本发明属于对表面粗糙度进行精确测量高精度测量技术领域，具体涉及一种基于光学散射原理的表面粗糙度检测***。
背景技术
表面粗糙度，是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。其两波峰或两波谷之间的距离(波距)很小，用肉眼是难以区别的，因此它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度的大小，对零件的使用性能有很大的影响，比如：机械表面粗糙度影响零件的疲劳强度、抗腐蚀性、耐磨性、接触刚度以及测量精度，光学镜片表面粗糙度影响成像质量和***透过率，因此，在加工过程中必须对元件表面粗糙度进行精确测量。
车削光学表面采用材料去除方式进行加工，表面质量对于光学***的光学性能起着至关重要的作用。加工表面质量主要包括两方面内容：加工表面的几何形貌和表层材料的物理性能。几何形貌是由加工过程中的切削残留面积、切削塑性变形和振动等因素的综合作用在工件表面上形成的表面结构。主要包括表面粗糙度、表面波纹度、表面纹理方向和表面缺陷四方面内容，传统的接触式测量方法通过多年的发展，已被广泛应用。但由于其具有易划伤被测工件表面，测量效率低，限制了其在精密非接触式测量方向上的应用。在实际生产中，已经加工好的工件需要从机床等加工设备上取下，拿到专门的测试平台上对其表面形貌进行离线测量，如果未达标，则需要重新将工件装载到加工设备上重新进行加工。在装夹过程中会带来装夹误差等二次误差，而对于复杂表面如自由曲面工件而言，对表面设计时本身就要对加工路径进行设计和优化，而当工件二次装夹后，刀具无法与原有加工路径吻合，势必需要进行二次加工，增加了出现误差的概率和对加工表面质量的不可预判性。同时，在工业生产中，重复装夹会影响加工速度，大大降低了生产效率，提高了生产成本。
综上所述，必须探索一种新的表面粗糙度检测方法，建立一套能对表面粗糙度进行精确测量的***，即基于光学散射原理的表面粗糙度精密检测***，在加工过程中实时在线对元件表面粗糙度精确测量，从而更好的解决工业生产中的实际问题。
在线测量可以在机床等加工载体上直接对工件表面进行测量，避免了装夹误差，加工点二次定位误差等因二次装夹带来的误差，提高加工效率，实现加工与检测的一体化。
另外，该测量***还可以用于宝石表面、化妆品效果展示、汽车车漆和车膜表面以及医药方面等等，总之，随着激光技术和现代工业技术的向前发展，对产品表面粗糙度的要求越来越高，建立一套能无损、精确测量表面粗糙度的检测***变得十分迫切。
发明内容
本发明解决的技术问题为：提供一种表面粗糙度检测***，解决光学加工和机械加工过程中其表面粗糙度是否满足指标要求。
本发明采用的技术方案为：一种基于光学散射原理的表面粗糙度检测***，包括光源、会聚镜组、针孔、准直镜组、可变光阑、待测样品、聚焦镜组、光电探测器、消光陷阱、数据处理***。光源发出的光波经会聚镜组会聚为细光束，再经过针孔滤波后，准直镜组将经过针孔的光束变换为准直光束，通过可变光阑控制入射到待测样品表面光斑的大小，入射到待测样品表面的光束经待测样品表面调制后向半球空间散射，聚焦镜组将散射到半球空间的部分光束能量收集于光电探测器，光电探测器倾斜一定角度放置，消光陷阱用于收集因光电探测器窗口表面镜面反射产生的光束，进入光电探测器的光能量包含了待测样品表面的粗糙度信息，经数据处理***获得待测样品的粗糙度。
其中，光源包含但不限于激光光源、LED光源、卤素光源等。
其中，入射到待测样品表面入射角度可调，聚焦镜组收集待测样品表面散射光的范围最大可达±30度。
其中，待测样品包括光学元件、机械元件等待测样品表面。
其中，光电探测器倾斜一定角度放置，光电探测器窗口引起的镜面反射光通过消光陷阱去除。
其中，该检测***基于光学散射原理，可对待测样品进行在线、快速、非接触式无损检测。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、该***为非接触检测***，与传统的接触式测量方法相比，该***在粗糙度检测过程中能更好地保护待测***表面。该表面粗糙度检测***基于光学散射原理，具有快速、非接触、不损伤工件表面、可进行在线测量等优点。
2、该***为在线检测***，传统光学干涉仪或者轮廓仪检测待测样品表面粗糙度时，需要将工件从机床等机械加工设备上取下，拿到专门的测试平台上对其表面粗糙度进行离线测量，如果未达标，则需要重新将工件装夹到加工设备上重新进行加工，重复装夹过程会影响加工速度，大大降低了生产效率，提高了生产成本。
3、该检测***测量精度高，传统表面粗糙度检测方法为离线测量，在装夹过程中会带来装夹误差，而对于复杂表面如自由曲面工件而言，对表面设计时本身就要对加工路径进行设计和优化，而当工件二次装夹后，刀具无法与原有加工路径吻合，势必需要进行二次加工，增加了出现误差的概率和对加工表面质量的不可预判性。
附图说明
图1为表面粗糙度检测***示意图；
图2为待测样品表面光散射示意图；
图3为散射空间位置关系几何示意图；
标号说明：1-光源、2-会聚镜组、3-针孔、4-准直镜组、5-可变光阑、6-待测样品、7-聚焦镜组、8-光电探测器、9-消光陷阱、10-数据处理***、11-入射光束、12-反射光束、13-散射光束。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1为表面粗糙度检测***示意图，该检测***基于光学散射原理，主要包括光源1、会聚镜组2、针孔3、准直镜组4、可变光阑5、待测样品6、聚焦镜组7、光电探测器8、消光陷阱9、数据处理***10。光源1发出的光波经过会聚镜组2会聚为细光束，再经过针孔3滤波后，准直镜组4将经过针孔3的光束变换为准直光束，通过可变光阑5控制入射到待测样品6表面光斑的大小，入射到待测样品表面的光束经待测样品表面调制后向半球空间散射，聚焦镜组7将散射到半球空间的部分光束能量收集于光电探测器8，光电探测器8倾斜一定角度放置，消光陷阱9用于收集因光电探测器8窗口表面镜面反射产生的光束，进入光电探测器8的光能量包含了待测样品6表面的粗糙度信息，经数据处理***10处理后获得待测样品的表面粗糙度。
光源1可为但不限于激光光源、LED光源、卤素光源等。会聚镜组2将光源1发出的光束会聚为细光束，针孔3的作用是对会聚的细光束进行滤波处理，大小为10μm或者20μm。准直镜组4设计时要考虑不同光源波长的影响，其作用是将针孔3滤波后的光束整形成准直光束。可变光阑5是调节入射到待测样品6表面的光斑口径大小，聚光镜组7设计时物方数值孔径大小为0.5，以尽可能地收集待测样品6散射到半球空间的散射光束，光电探测器8因有保护窗口玻璃，为减小保护窗口镜面反射光的影响，将光电探测器8倾斜放置，利用消光陷阱9将保护窗口引入的镜面反射光消除，同时，光电探测器8将聚光镜组7收集的散射光束转化为电信号，通过数据处理***10，从而计算出待测样品6表面的粗糙度及其分布。
图2为待测样品表面光散射示意图，当入射光束11以一定角度θ照射到待测样品6表面时，忽略表面所吸收的光能量，大部分将被反射，几何光线的进行方向近似地代表光能量的传播方向，但由于表面存在粗糙度而非理想“镜面”，那么就会有一部分能量会以散射的形式传播。同时由于能量守恒，反射的能量将被削减。因此散射光束13能量与反射光束12能量的强弱分布是由待测样品6表面粗糙度决定的。当一束光以—定角度入射到粗糙表面上时，入射光被散射，其中一部分散射光遵循几何光学规律，这部分散射光为镜面方向，即通常所说的反射光束12，另一部分则散射到空间的各个方向，即为通常意义上我们所说的散射光束13。如图2所示，根据光学原理，散射光强的分布与表面粗糙度有关，对于粗糙度较小的表面，反射光的光强较强，其他方向的散射光强较弱，粗糙度较大的表面反射光光强较弱，而其他方向的散射光强较强。这一现象可定性的说明物体表面粗糙度与散射光能量之间存在一定的对应关系。
图3为散射坐标系示意图，散射面元位于XOY平面内，θi、φi表示入射光的入射角和方位角，θs、φs表示散射光的散射角和方位角，Ls表示散射面元的辐射亮度，E表示散射面元的辐射照度，双向散射分布函数(BSDF)定义为某一散射面元处的散射辐射亮度与入射辐射照度的比值，该比值所确定的表面散射特性仅和材料表面本身的特性有关，而与接收立体角等测量因素无关，此时有：
它表示不同入射角条件下物体表面在任意观测角的散射特性，其单位是球面度的倒数(sr-1)。
全积分散射(TIS)是BSDF在半球空间内的二重积分,表达式如下：
全积分散射(TIS)与均方根表面粗糙度σ之间的关系为：
上式中，σ表示待测样品表面粗糙度，λ表示光源波长，由此求得，待测样品表面粗糖度σ与TIS之间的关系为：
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例变化，变型都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims (6)

1.一种基于光学散射原理的表面粗糙度检测***，其特征在于：该检测***包括光源、会聚镜组、针孔、准直镜组、可变光阑、待测样品、聚焦镜组、光电探测器、消光陷阱、数据处理***；光源发出的光波经过会聚镜组会聚为细光束，再经针孔滤波后，准直镜组将经过针孔的光束变换为准直光束，通过可变光阑控制入射到待测样品表面光斑的大小，入射到待测样品表面的光束经待测样品向半球空间散射，聚焦镜组将散射到半球空间的部分光束能量收集于光电探测器，光电探测器倾斜一定角度放置，消光陷阱用于收集因光电探测器窗口表面产生的镜面反射光束，经过待测样品表面调制进入光电探测器的光能量包含了待测样品表面的粗糙度信息，经数据处理***获得待测样品的表面粗糙度。
2.根据权利要求1所述的基于光学散射原理的表面粗糙度检测***，其特征在于：光源包含但不限于激光光源、LED光源、卤素光源。
3.根据权利要求1所述的基于光学散射原理的表面粗糙度检测***，其特征在于：入射到待测样品表面入射角度可调，聚焦镜组收集待测样品表面散射光的范围最大可达±30度。
4.根据权利要求1所述的基于光学散射原理的表面粗糙度检测***，其特征在于：待测样品包括光学元件、机械元件的待测样品表面。
5.根据权利要求1所述的基于光学散射原理的表面粗糙度检测***，其特征在于：光电探测器倾斜一定角度放置，光电探测器窗口引起的镜面反射光通过消光陷阱去除。
6.根据权利要求1所述的基于光学散射原理的表面粗糙度检测***，其特征在于：该检测***基于光学散射原理，可对待测样品进行在线、快速、非接触式无损检测。
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