一种复杂形貌快速测量方法与流程

本发明涉及一种形貌测量方法，特别是针对超精密加工的机械零件、光学元器件制造过程中的加工表面质量与形貌检测。

背景技术：

表面形貌是指物体和周围介质的分界面呈现出的几何形态，由表面的基本形状和波纹度、纹理、表面粗糙度等表面缺陷参数共同构成了物体表面原始形貌的特征。由机械加工、表面处理等工艺形成的表面形貌直接影响其功能和使用性能。随着国防工业、航空航天及机械制造等领域的飞速发展，超精密加工零件的需求也日益提高，产品表面形貌与结构也越来越复杂，因此，对超精密加工的机械零件、光学元件等表面形貌检测技术至关重要。

表面形貌测量方法多种多样，为了适应复杂表面形貌测量需求，主要测量手段仍为逐点扫描测量方式，最常见轮廓仪能够满足超精密高效加工的需求。同时，有些使用整场扫描方式实现表面形貌快速测量光学表面的方法，如激光面干涉法、反射光栅法等。但以上方法的测量数据采样率相对偏低，仅能获取表面形貌的基本形状(表面形貌的低频信息)。而接触式轮廓仪仅适合采集表面某轮廓线上的粗糙度信息(表面形貌的高频信息)。然而，表面形貌的纹理或波纹度等表面细节信息(表面形貌的中频信息)对使用性能影响非常大。目前，适合进行表面细节分析的白光干涉方法比较局限于局部测量，其主要原理是利用白光的低相干特性，将物体表面形貌信息反映到干涉信号上，且通过对干涉图像的分析得出恢复待测样品表面的三维形貌，测量分辨率可达到纳米级。因此，需要更深入开展大范围全频段表面形貌(高、中、低频形貌信息)测量方法的研究。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可以实现表面大范围全频段表面形貌测量的方法。本发明利用一套测量装置，既可以加工中的原位测量，还可以独立进行离线测量。技术方案如下：

一种复杂形貌快速测量方法，所采用测量系统包括白光光源1、三个分光棱镜、显微目镜5、显微物镜6、干涉物镜7、四象限光电传感器8、激光器9和图像传感器10，具有白光干涉测量光路和激光测量光路两条测量光路，其中，

白光干涉测量光路为：由白光光源1发出光束平行投射到第一分光棱镜2后分成两束，第一束光被第一分光棱镜2转折90°经过干涉物镜7投射到被测表面11，反射的光经干涉物镜7和第一分光棱镜2回到显微目镜5，第一束光和其反射的光在显微目镜5视场中发生干涉，图像传感器10获取干涉条纹以获得待测区域的表面形貌信息；第二束光穿过第一分光棱镜2，依次经过第二分光棱镜3、第三分光棱镜4和显微物镜6，汇聚于被测表面11，经被测表面11反射后分别经过显微物镜6、第三分光棱镜4、第二分光棱镜3、第一分光棱镜2和显微目镜5，成像到图像传感器10，负责为激光测量光路提供照明背景光；

激光测量光路为：由激光器9出发经第三分光棱镜4转折，通过显微物镜6聚焦至被测表面11，经被测表面11反射后，分别经过显微物镜6、第三分光棱镜4和第二分光棱镜3，投射至四象限光电传感器8用于被测表面11高度信息的测量；激光器9经被测表面11反射回来的光通过第二分光棱镜3转折，通过第一分光棱镜2和显微目镜5后，和由白光光源1形成的照明背景光一起被成像至图像传感器10，形成激光测量时的采集图。

进行复杂形貌快速测量的方法为：

1)将所述的测量系统置于三维运动平台上，将被测表面调整到测量系统的测量范围中；

2)将激光测量部分聚焦至被测表面，即开启激光测量模式，按照螺旋线或者栅线方式对被测表面进行逐点扫描测量，获取被测表面的大致轮廓特征；

3)将白光干涉测量部分聚焦至被测表面，即开启白光干涉测量模式，按照螺旋线或者栅线方式对被测表面进行逐区域扫描测量，白光干涉测量路径设计根据白光干涉测量部分单次测量视场范围决定，保证白光干涉测量过程中相邻测量视场范围有一定交叠，白光干涉测量路径的每个位置点根据所获取的大致轮廓特征中的高度起伏量，对白光测量系统的高度测量位置进行快速定位，对所有区域数据进行数据融合，从而获取被测表面的全频段形貌信息。

本发明采用的“白光-激光”复合形式，可同时实现激光扫描测量和白光干涉形貌测量。其中激光扫描测量实现表面形貌低频信息获取，采样点数量少，测量速度快，可对被测表面进行快速认知；白光干涉形貌测量则通过多个单视场拼接方式获得被测表面中高频信息，单视场测量路径可根据激光测量对于被测表面的认识进行规划。因此，本发明可对表面形貌进行高速全频段测量。同时，由于“白光-激光”测量系统将激光测量和白光干涉测量系统光路进行有效复合，因此，可以形成结构简单、易于安装的测量系统，不仅可以配合运动平台进行被测表面的扫描测量，还可以安装于加工机床上，对被加工器件的表面形貌的原位测量，避免了加工过程中二次装恰等引入的误差。

附图说明：

图1“白光-激光”测量光路图

图2“白光-激光”测量系统结构示意图

图3“白光-激光”测量系统放置于三维运动平台示意图

图4“白光-激光”测量系统放置加工机床示意图

图5“白光-激光”测量流程图

图6“白光-激光”测量路径示意图，(a)螺旋线扫描路径；(b)栅线扫描路径1；(c)栅线扫描路径2。

附图标记说明如下：白光光源1、分光棱镜2、分光棱镜3、分光棱镜4显微目镜5、显微物镜6、干涉物镜7、四象限光电传感器8激光器9、图像传感器10、被测表面11、系统外壳12、系统提手13、电源与控制14“白光-激光”测量系统15、直线运动轴16、(Z向运动轴)直线运动轴17(X向运动轴)、直线运动轴18(Y向运动轴)、样品台18、被加工器件20、加工刀架21、加工系统22

具体实施方式

本发明结合白光干涉和激光扫描方法实现表面大范围全频段表面形貌测量。白光干涉法可快速实现小视场范围表面形貌的纳米精度测量，由于局部测量的采样点数多，因此，可以实现全频段表面信息的获取。对于大范围表面形貌就需要对多个单视场数据进行拼接融合。然而，由于被测表面形状复杂，如何合理规划测量路径，实现快速测量和高精度拼接是借助白光干涉法实现大范围表面形貌测量的难题。因此，本发明引入激光扫描方法可以对待测量表面进行快速预测量，通过分析全面了解待测表面的特征信息，针对性的规划白光干涉测量的路径。同时，也可以结合分析结果，针对性的关注重点区域进行分块测量。以求对被测表面进行有效测量和评价。

因此，本发明提出白光干涉和激光扫描测量结合的方法(“白光-激光”)，借助于激光扫描测量方式实现表面形貌低频信息的获取，而白光干涉测量通过多个单视场拼接方式获得被加工表面中高频信息的原理，将两者通过光路复合成一个完整测量系统，保证测量系统的小型化，实现对被测表面形貌的精确测量。图1为“白光-激光”测量系统光路示意图。测量系统主要由白光光源1、分光棱镜2/3/4、显微目镜5、显微物镜6、干涉物镜7、四象限光电传感器8、激光器9和图像传感器10组成。测量系统包括两条测量光路。白光干涉测量光路由白光光源1发出光束平行投射到分光棱镜2分成两束，一束被分光棱镜2转折90°经过干涉物镜7投射到被测表面11，反射后经干涉物镜7和分光棱镜2回到目镜5，两束光在目镜5视场中发生干涉，图像传感器10获取干涉条纹以获得待测区域的表面形貌信息；另一束穿过分光棱镜2，经分光棱镜3、分光棱镜4和显微物镜6，汇聚于被测表面11，被测表面11反射后分别经过显微物镜6、分光棱镜4、分光棱镜3、分光棱镜2和目镜5，成像到图像传感器10，负责为激光测量光路提供照明背景光。激光测量光路由激光器9出发经分光棱镜4转折，通过显微物镜6聚焦至被测表面11，经被测表面11反射后，分别经过显微物镜6、分光棱镜4和分光棱镜3，投射至四象限光电传感器8用于被测表面11高度信息的测量。当由于被测表面11被测位置高度信息的改变，会导致激光照射至四象限光电传感器8位置不同，通过激光点所在位置计算被测位置高度信息。激光器9经被测表面11反射回来的光通过分光棱镜3转折，通过分光棱镜2和目镜5，和白光光源1形成的照明背景光一起被成像至图像传感器10，形成激光测量时的采集图。由于两路测量光路在测量过程中不同时对测量区域聚焦，因此，在测量过程中无论是白光干涉测量还是激光测量，白光光源1和激光器9同时打开，但不会同时成像在图像传感器10上，因此，两路测量系统互不影响。

图2为“白光-激光”测量系统的结构设计示意图。该测量系统可以配合运动平台进行被测表面的形貌扫描，如图3所示，也可以直接放置于加工机床中，实现对于被加工表面的原位测量，避免加工过程中对被测表面11测量时的对被加工器件20的反复装夹，用于原位测量的示意图如图4所示。

图5为“白光-激光”系统进行测量时的流程图。先由激光扫描系统按照一定的测量路径对被测表面进行快速扫描，扫描路径间距较大、扫描速度快，可快速获取被测表面的大致轮廓特征。扫描路径方式和运动控制系统的运行形式有关，主要的扫描形式如图6所示，主要包括螺旋线扫描或栅线扫描。根据白光测量系统单次测量视场范围，确定白光测量系统的测量路径，保证白光测量过程中相邻测量视场范围有一定交叠，从而保证测量数据的完整性。而在获取被测表面特征后，白光测量路径的每个位置点可以根据该表面特征，主要是高度起伏量，对白光测量系统的高度测量位置进行快速定位，从而保证了白光系统的快速测量，同时也保证了每次测量零点位置的一致性。在白光测量完成后，对每个视场的测量结果进行数据融合即可得到整个被测表面的系统、完整的形貌数据。所谓数据融合，是将相邻测量区域的数据重叠部分进行拼接，一般来说，最终该部分数据为重叠数据的平均值。数据融合是多视场测量中的通用技术，可以参考相关资料实现。