CN108955568A - 无需轴向扫描的表面三维形貌检测装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无需轴向扫描的表面三维形貌检测装置及其使用方法，包括具有多种波长特性的复色光源、控制及数据处理***；复色光源与被测件之间依次设置有输入光纤、针孔、准直镜、色散物镜、分光镜、物方聚焦透镜；还包括一光谱仪，所述分光镜与光谱仪之间依次设置有像方聚焦透镜、调焦小孔、输出光纤；所述光谱仪连接所述输出光纤，所述光谱仪连接所述控制及数据处理***；还包括一扫描***，所述扫描***包括步进电机、驱动器、X轴导轨、Y轴导轨、二维位移台；所述待测件置于所述二维移动台上。应用本技术方案可实现扫描物体三维形貌不需要进行轴向扫描，装置调试使用方便，缩短了测量时间。

Description

无需轴向扫描的表面三维形貌检测装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种无需轴向扫描的表面三维形貌检测装置及其使用方法。

背景技术

机械加工、表面处理等工艺形成的表面质量将直接影响其功能特性和使用，如摩擦磨损、抗腐蚀性能、导电性、导热性等，同时也是评价加工工艺好坏的重要参考。表面形貌测量是制造产品质量表征的重要环节和质量控制与功能可靠保证的前提。

表面形貌测量方法主要包括接触式测量法和非接触式测量法。其中接触式测量法以机械触针式测量法最为常见，该方法利用机械探针接触并沿被测表面移动，通过位移传感器将表面轮廓的变化转化为电信号，经数据采集和处理后得到表面轮廓参数。这种方法测量精度高，抗干扰能力强，但测量速度较慢，装置复杂，而且其检测头容易划伤被测件表面，使用受到限制。非接触式测量法以光学测量为主，测量方法有光切法、白光干涉法、投影光栅法，等等，这些非接触式测量方法，克服了接触式测量容易划伤被测物表面的缺点，提高了测量速度和测量精度。其中，光切法以激光逐点扫描为基础，利用激光线光源，经柱面镜产生平面光照射在被测样品上，在被测样品表面产生一条明亮的光带，通过CCD摄像机采集获得数字图形，经过图形处理即得物体在该光切面上的二维轮廓信息，若进一步沿第三维步进测量，就可以得到三维轮廓全貌。白光干涉测量法是利用白光的相干特性，将物体三维形貌信息反射到干涉信号上，通过对干涉图像的分析可以快速恢复出待测样品表面的三维形貌。投影光栅法采用投影光栅步进相移，拍摄多幅携带有物体轮廓信息的变形光栅像，进行相位解调后实现表面形貌测量。它们共有的缺点是都需要轴向扫描，测量时间长。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种无需轴向扫描的表面三维形貌检测装置及其使用方法，不需要进行轴向扫描，装置调试使用方便，缩短了测量时间。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无需轴向扫描的表面三维形貌检测装置，包括具有多种波长特性的复色光源、控制及数据处理***；复色光源与被测件之间依次设置有输入光纤、针孔、准直镜、色散物镜、分光镜、物方聚焦透镜；还包括一光谱仪，所述分光镜与光谱仪之间依次设置有像方聚焦透镜、调焦小孔、输出光纤；所述光谱仪连接所述输出光纤，所述光谱仪连接所述控制及数据处理***；

所述复色光源、输入光纤、针孔、准直镜、色散物镜与被测件形成检测光路；所述分光镜、像方聚焦透镜、调焦小孔、输出光纤与光谱仪形成接收光路；所述检测光路与接收光路垂直；

还包括一扫描***，所述扫描***安装于所述物方聚焦透镜的下方，且与检测光路的光轴垂直；所述扫描***包括步进电机、驱动器、X轴导轨、Y轴导轨、二维位移台；所述待测件置于所述二维移动台上。

本发明还提供了一种无需轴向扫描的表面三维形貌检测方法，采用了上述的无需轴向扫描的表面三维形貌检测装置；包括以下步骤：

复色光源产生的复色光经输入光纤、针孔、准直镜、色散物镜后将不同波长的光色散开，通过检测光路的光线经过物方聚焦透镜后，使不同波长的光聚焦在光轴方向上的不同位置，形成一系列单色聚焦光斑；

经被测件反射回的光经过分光镜进入接收光路，其中只有聚焦在被测件表面的某一特定波长的特定光经过像方聚焦透镜、调焦小孔、输出光纤被光谱仪接收，其他未聚焦在被测件表面的离焦光由于调焦小孔的阻拦而不能进入输出光纤，光谱仪将采集到的光谱数据发送至控制及数据处理***处理并储存；

建立波长与位移的线性映射关系；即在工作范围内的任意波长光(λ_i)的对应的聚焦位置f(λ_i)，每个波长通过光路在物方形成点扩散函数，轴向的光强函数为其中，I_S代表轴向光强，s代表光轴方向坐标，α代表物镜数值孔径，k代表比例系数，I₀代表初始光强，当且仅当被测件的表面位于对应波长的聚焦面时，光谱仪才能获得最大光强值，色散管镜实现不同波长的光线在光轴方向的聚焦面坐标分布均匀，呈线性关系：h(λ_i)＝aλ_i+b；其中，h(λ_i)代表任意波长光所对应的坐标位置，a、b表示线性关系的系数，将光谱仪获得的被测件的表面聚焦波长λ₁与基准面聚焦波长λ₀分别代入公式h(λ_i)＝aλ_i+b中得到h(λ₁)、h(λ₀)，两者相减差值的绝对值为被测件表面高度h；

所述驱动器接收控制及数据处理***发出的运动指令，使二维移动台根据运动指令沿X轴或Y轴进给一个或多个步距使其到达另一个位置，并由光谱仪采集得到该点的光谱数据，重复上述步骤直至扫描完毕；

以一定的扫描步距采集完被测件上所有的被测点后，用三维重构算法将所有的数据进行处理，并重构出被测件表面的三维形貌。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

本发明提供了一种无需轴向扫描的表面三维形貌检测装置及其使用方法，无需轴向扫描，仅需通过X轴及Y轴的平面二维扫描来获取被测物面的三维形貌特征，能够快速、无损的得到被测件表面三维形貌。

附图说明

图1为本发明优选实施例中无需轴向扫描的表面三维形貌检测装置的结构示意图；

图2为本发明优选实施例中被测件表面光路示意图；

图3为本发明优选实施例中光谱仪采集数据成像图。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种无需轴向扫描的表面三维形貌检测装置，参考图1至2，包括具有多种波长特性的复色光源101、控制及数据处理***300；复色光源101与被测件108之间依次设置有输入光纤102、针孔103、准直镜104、色散物镜105、分光镜106、物方聚焦透镜107；还包括一光谱仪201，所述分光镜106与光谱仪201之间依次设置有像方聚焦透镜110、调焦小孔111、输出光纤112；所述光谱仪201连接所述输出光纤112，所述光谱仪201连接所述控制及数据处理***300；所述复色光源101、输入光纤102、针孔103、准直镜104、色散物镜105与被测件108形成检测光路113；所述分光镜106、像方聚焦透镜110、调焦小孔111、输出光纤112与光谱仪201形成接收光路114；所述检测光路113与接收光路114垂直；还包括一扫描***，所述扫描***安装于所述物方聚焦透镜107的下方，且与检测光路113的光轴垂直；所述扫描***包括步进电机、驱动器、X轴导轨、Y轴导轨、二维位移台；所述被测件108置于所述二维移动台109上。

以下具体说明这种无需轴向扫描的表面三维形貌检测装置的使用方法，包括以下步骤：

复色光源101产生的复色光经输入光纤102、针孔103、准直镜104、色散物镜105后将不同波长的光色散开，通过检测光路113的光线经过物方聚焦透镜107后，使不同波长的光聚焦在光轴方向上的不同位置，形成一系列单色聚焦光斑；当被测件108位于测量范围内时，测量范围内的每一个轴向位置都有与之对应的一个聚焦波长，这种一一映射关系经标定后可得到位移-波长曲线。

经被测件108反射回的光经过分光镜106进入接收光路114，其中只有聚焦在被测件108表面的某一特定波长的特定光经过像方聚焦透镜110、调焦小孔111、输出光纤112被光谱仪201接收，其他未聚焦在被测件108表面的离焦光由于调焦小孔111的阻拦而不能进入输出光纤112，光谱仪201将采集到的光谱数据发送至控制及数据处理***300处理并储存；复色光源101产生的光由输入光纤102导入，经由针孔103、准直镜104、色散物镜105、分光镜106、物方聚焦物镜后形成的聚焦点与针孔103呈共轭关系。从被测件108反射回分光镜106，并经由像方聚焦透镜110、调焦小孔111后被输出光纤112接收，聚焦在被测件108上的聚焦光点与调焦小孔111呈共轭关系。因此，上述针孔103、物方聚焦点以及调焦小孔111三者互为共轭关系。光谱仪201对采集到的光谱数据处理方法是：经曲线拟合算法得到光谱数据拟合曲线，并求出拟合曲线峰值所对应的中心波长，即得到测量点所对应的中心波长值，参考图3。

建立波长与位移的线性映射关系；即在工作范围内的任意波长光(λ_i)的对应的聚焦位置f(λ_i)，每个波长通过光路在物方形成点扩散函数，轴向的光强函数为其中，I_S代表轴向光强，s代表光轴方向坐标，α代表物镜数值孔径，k代表比例系数，I₀代表初始光强，当且仅当被测件108的表面位于对应波长的聚焦面时，光谱仪201才能获得最大光强值，色散管镜实现不同波长的光线在光轴方向的聚焦面坐标分布均匀，呈线性关系：h(λ_i)＝aλ_i+b；其中，h(λ_i)代表任意波长光所对应的坐标位置，a、b表示线性关系的系数，将光谱仪201获得的被测件108的表面聚焦波长λ₁与基准面聚焦波长λ₀分别代入公式h(λ_i)＝aλ_i+b中得到h(λ₁)、h(λ₀)，两者相减差值的绝对值为被测件108表面高度h；

所述驱动器接收控制及数据处理***300发出的运动指令，使二维移动台109根据运动指令沿X轴或Y轴进给一个或多个步距使其到达另一个位置，并由光谱仪201采集得到该点的光谱数据，重复上述步骤直至扫描完毕；

以一定的扫描步距采集完被测件108上所有的被测点后，用三维重构算法将所有的数据进行处理，并重构出被测件108表面的三维形貌。

本发明提供了一种无需轴向扫描的表面三维形貌检测装置及其使用方法，无需轴向扫描，仅需通过X轴及Y轴的平面二维扫描来获取被测件108表面的三维形貌特征，能够快速、无损的得到被测件108表面三维形貌。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (2)

1.一种无需轴向扫描的表面三维形貌检测装置，其特征在于包括具有多种波长特性的复色光源、控制及数据处理***；复色光源与被测件之间依次设置有输入光纤、针孔、准直镜、色散物镜、分光镜、物方聚焦透镜；还包括一光谱仪，所述分光镜与光谱仪之间依次设置有像方聚焦透镜、调焦小孔、输出光纤；所述光谱仪连接所述输出光纤，所述光谱仪连接所述控制及数据处理***；

所述复色光源、输入光纤、针孔、准直镜、色散物镜与被测件形成检测光路；所述分光镜、像方聚焦透镜、调焦小孔、输出光纤与光谱仪形成接收光路；所述检测光路与接收光路垂直；

还包括一扫描***，所述扫描***安装于所述物方聚焦透镜的下方，且与检测光路的光轴垂直；所述扫描***包括步进电机、驱动器、X轴导轨、Y轴导轨、二维位移台；所述待测件置于所述二维移动台上。

2.一种无需轴向扫描的表面三维形貌检测方法，其特征在于采用了上述权利要求1所述的无需轴向扫描的表面三维形貌检测装置；包括以下步骤：

复色光源产生的复色光经输入光纤、针孔、准直镜、色散物镜后将不同波长的光色散开，通过检测光路的光线经过物方聚焦透镜后，使不同波长的光聚焦在光轴方向上的不同位置，形成一系列单色聚焦光斑；

经被测件反射回的光经过分光镜进入接收光路，其中只有聚焦在被测件表面的某一特定波长的特定光经过像方聚焦透镜、调焦小孔、输出光纤被光谱仪接收，其他未聚焦在被测件表面的离焦光由于调焦小孔的阻拦而不能进入输出光纤，光谱仪将采集到的光谱数据发送至控制及数据处理***处理并储存；

建立波长与位移的线性映射关系；即在工作范围内的任意波长光(λ_i)的对应的聚焦位置f(λ_i)，每个波长通过光路在物方形成点扩散函数，轴向的光强函数为其中，I_s代表轴向光强，s代表光轴方向坐标，α代表物镜数值孔径，k代表比例系数，I₀代表初始光强，当且仅当被测件的表面位于对应波长的聚焦面时，光谱仪才能获得最大光强值，色散管镜实现不同波长的光线在光轴方向的聚焦面坐标分布均匀，呈线性关系:h(λ_i)＝aλ_i+b；其中，h(λ_i)代表任意波长光所对应的坐标位置，a、b表示线性关系的系数，将光谱仪获得的被测件的表面聚焦波长λ₁与基准面聚焦波长λ₀分别代入公式h(λ_i)＝aλ_i+b中得到h(λ₁)、h(λ₀)，两者相减差值的绝对值为被测件表面高度h；

所述驱动器接收控制及数据处理***发出的运动指令，使二维移动台根据运动指令沿X轴或Y轴进给一个或多个步距使其到达另一个位置，并由光谱仪采集得到该点的光谱数据，重复上述步骤直至扫描完毕；

以一定的扫描步距采集完被测件上所有的被测点后，用三维重构算法将所有的数据进行处理，并重构出被测件表面的三维形貌。