一种垂直扫描测量白光干涉测头的制作方法

本实用新型涉及测量装置技术领域，具体地说是涉及一种垂直扫描测量白光干涉测头，该测头可用于大量程垂直扫描三维表面形貌光学轮廓测量仪。

背景技术：

随着科学技术的发展与进步，对零件表面精度测量的要求也越来越高，先进的检测技术已经被各个国家高度重视并广泛应用。表面形貌测量可以根据是否与被测物体接触分为接触式和非接触式两大类。垂直扫描白光干涉测量法是一种十分重要的表面形貌测量方法，具有非接触、大量程的优点，且可进行三维测量，在表面测量领域有着十分广泛的应用。

现有技术中公开了一种白光干涉光学轮廓仪，其存在的弊端是，该光学轮廓仪结构非常复杂，且测头与垂直扫描测量装置及位移计量装置是分离的，因此，测量精度较低；此外，由于其采用Linnik型干涉显微镜，对外界的振动干扰和气流的影响比较敏感，抗干扰性较差。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于，为解决现有技术中存在的问题提供一种垂直扫描测量白光干涉测头，该测头自带垂直运动部件和位移计量系统，结构更加简单紧凑，能够达到较高测量精度。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种垂直扫描测量白光干涉测头，包括白光显微干涉装置、垂直运动装置、双光栅位移计量装置、图像采集系统、信号处理系统和计算机控制系统；

所述白光显微干涉装置包括用于发出光束的照明光路、用于接收光束并产生干涉条纹的显微干涉组件和用于摄像并能够呈现出白光干涉图像的CCD图像拾取组件；显微干涉组件包括Mirau干涉显微镜，白光干涉图像经图像采集系统采集后，输送至计算机控制系统；

所述垂直运动装置包括垂直运动组件，其包括外平台和设置在外平台内的能够沿与待测工件表面平行的方向作微运动的内平台，Mirau干涉显微镜与内平台固定连接；垂直运动组件上还设有压电陶瓷，压电陶瓷在压电陶瓷微位移器驱动电源的驱动下能够带动内平台作微运动，从而带动Mirau干涉显微镜运动，完成对待测工件表面的垂直扫描测量，压电陶瓷微位移器驱动电源由计算机控制系统控制；所述双光栅位移计量装置与内平台固定连接，双光栅位移计量装置在内平台的驱动下产生周期移动的干涉条纹并传输至信号处理系统，信号处理系统进行处理后得到垂直运动组件的内平台的实时位移，并传输至计算机控制系统；

计算机控制系统通过处理白光干涉图像和垂直运动组件的内平台的位移，得到待测工件表面的三维形貌。

作为进一步地改进，所述照明光路包括白光光源、光源支架、第一照明光路镜筒、第二照明光路镜筒、照明光路镜筒支架、照明光路支承板、透镜组、孔径光阑、视场光阑、第一反射镜和第一透镜；所述白光光源固设在光源支架上，光源支架与第一照明光路镜筒的一端可拆卸固定连接，第一照明光路镜筒的另一端与第二照明光路镜筒的一端可拆卸固定连接，第二照明光路镜筒的另一端固设在照明光路镜筒支架上，照明光路镜筒支架固设在照明光路支承板上，照明光路镜筒支架的侧面开设有通孔A，透镜组安装在第一照明光路镜筒内，孔径光阑和视场光阑从上往下依次安装在第二照明光路镜筒内，第一反射镜设置在照明光路镜筒支架内，第一透镜安装在照明光路镜筒支架内部靠近通孔A的位置，照明光路支承板安装在垂直运动组件一侧。

作为进一步地改进，所述显微干涉组件还包括显微镜支架、第二反射镜和分光镜，Mirau干涉显微镜固设在显微镜支架上，显微镜支架与内平台固定连接，在压电陶瓷驱动内平台运动时，显微镜支架跟随内平台同步运动，从而带动Mirau干涉显微镜运动，完成对待测工件表面的垂直扫描测量；所述垂直运动组件上开设有矩形槽，第二反射镜安装在矩形槽内部的上端，分光镜安装在矩形槽内部的下端，第一透镜的光轴经过分光镜的中心点。

作为进一步地改进，所述CCD图像拾取组件包括CCD相机、CCD相机架、第二透镜、第三反射镜、图像拾取光路镜筒、图像拾取光路镜筒支架和图像拾取光路支撑板，图像拾取光路镜筒支架的侧面开设有通孔B，CCD相机固设在CCD相机架的一端，CCD相机架的另一端与图像拾取光路镜筒的一端可拆卸固定连接，图像拾取光路镜筒的另一端固设在图像拾取光路镜筒支架上，图像拾取光路镜筒支架固设在图像拾取光路支撑板上，透镜安装在图像拾取光路镜筒内，第三反射镜安装在图像拾取光路镜筒支架内，第三反射镜的反射面与第二反射镜的反射面相对安装，图像拾取光路支撑板安装在垂直运动组件另一侧。

作为进一步地改进，所述双光栅位移计量装置包括激光器、放大镜、放大镜镜筒、静光栅、静光栅支架、静光栅调整板、动光栅、动光栅支架、动光栅运动连接板、反射镜A、反射镜支架A、反射镜B、反射镜支架B、光电接收器和传感器盒；动光栅安装在动光栅支架上，动光栅支架固定在动光栅运动连接板下部，动光栅运动连接板下部和垂直运动组件的内平台相连；静光栅安装在静光栅支架上，静光栅支架安装在静光栅调整板上，静光栅调整板安装在传感器盒的内部；激光器和放大镜镜筒均安装在传感器盒的上部且在相对两侧，放大镜安装在放大镜镜筒内，反射镜A安装在反射镜支架A上，反射镜支架A安装在传感器盒内部、靠近激光器的一侧，反射镜B安装在反射镜支架B上，反射镜支架B安装在传感器盒内部、靠近放大镜的一侧；

作为进一步地改进，在激光器发射的光束经反射镜A反射的状态下，光束依次经过动光栅和静光栅发生衍射后产生干涉条纹，在垂直运动组件的内平台带动动光栅移动时，光电接收器接收到周期移动的干涉条纹，并传输至信号处理系统，信号处理系统进行处理后得到垂直运动组件的内平台的实时位移，并传输至计算机控制系统。

作为进一步地改进，所述第一反射镜与水平方向成45°角，第三反射镜与水平方向成45°角；第二反射镜安装在矩形槽内部的上端，且与水平方向成45°角，分光镜安装在矩形槽内部的下端，且与水平方向成45°角；反射镜支架A的正下方与水平方向成45O角，反射镜支架B的正下方与水平方向成45O角。

作为进一步地改进，所述显微镜支架一侧设置有显微镜旋入筒，显微镜旋入筒设置有内螺纹，Mirau干涉显微镜的一端与显微镜旋入筒之间螺纹连接。

作为进一步地改进，所述 CCD相机架下部设有外螺纹，图像拾取光路镜筒的上部设有内螺纹，CCD相机架与图像拾取光路镜筒之间通过螺纹连接。

作为进一步地改进，所述垂直运动组件为柔性铰链结构。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：该测头自带垂直运动部件和位移计量系统，结构简单紧凑，可以达到较高测量精度，同时也极大降低了生产成本。此外，由于其采用Mirau干涉显微镜型，受外界的振动干扰和气流的影响较小，抗干扰性较好。

附图说明

图1为本实用新型实施例的工作示意图。

图2为本实用新型的总体结构示意图。

图3为本实用新型的光学原理图。

图中标记：1、双光栅位移计量装置，101、激光器，102、放大镜，103、放大镜镜筒，104、静光栅，105、静光栅支架，106、静光栅调整板，107、动光栅，108、动光栅支架，109、动光栅运动连接板，110、第一反射镜，111、第一反射镜支架，112、第二反射镜，113、第二反射镜支架，114、光电接收器，115、传感器盒，2、垂直运动装置，201、垂直运动组件，202、压电陶瓷，3、白光显微干涉装置，4、照明光路，401、白光光源，402、光源支架，403、第一照明光路镜筒，404、第二照明光路镜筒，405、照明光路镜筒支架，406、照明光路支承板，407、透镜组，408、孔径光阑，409、视场光阑，410第一反射镜，411、第一透镜，5、显微干涉组件，501、Mirau干涉显微镜，502、显微镜支架，503、第二反射镜，504、分光镜，6、CCD图像拾取组件，601、CCD相机，602、CCD相机架，603、第二透镜，604、第三反射镜，605、图像拾取光路镜筒，606、图像拾取光路镜筒支架，607、图像拾取光路支撑板，7、信号处理系统，8、计算机控制系统，9、图像采集系统，10、待测工件。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1-3所示，一种垂直扫描测量白光干涉测头，包括双光栅位移计量装置1、垂直运动装置2、白光显微干涉装置3、图像采集系统9、信号处理系统7和计算机控制系统8；白光显微干涉装置3包括照明光路4、显微干涉组件5和CCD图像拾取组件6，照明光路、显微干涉组件和CCD图像拾取组件平行布局。

照明光路提供照明光源，CCD图像拾取组件采集Mirau干涉显微镜的干涉图像，垂直运动装置2由信号处理系统7在计算机控制系统8的控制下进行运动驱动，双光栅位移计量装置1的信号经过信号处理系统7处理后，由计算机8分析计算，CCD图像拾取组件6获得的干涉图像，由图像采集系统9采集并送给计算机分析处理。

照明光路4包括白光光源401、光源支架402、第一照明光路镜筒403、第二照明光路镜筒404、照明光路镜筒支架405、照明光路支承板406、透镜组407、孔径光阑408、视场光阑409、第一反射镜410和第一透镜411；所述白光光源401柔性固设在光源支架402的一端，第一照明光路镜筒403呈圆筒状，光源支架402的另一端与第一照明光路镜筒403的一端螺纹连接，第一照明光路镜筒403的一端与第二照明光路镜筒404的一端螺纹连接，第二照明光路镜筒404的另一端通过螺纹旋入照明光路镜筒支架405上，照明光路镜筒支架405固设在照明光路支承板406上，照明光路镜筒支架405的一侧开设有通孔A，透镜组407安装在第一照明光路镜筒403内，孔径光阑408和视场光阑409从上往下依次安装在第二照明光路镜筒404内，第一反射镜410设置在照明光路镜筒支架405内，且第一反射镜410与水平方向成45°角，第一透镜411安装在照明光路镜筒支架405内部靠近通孔A的位置；第二照明光路镜筒一侧开设有切口，其目的是方便安装、调整孔径光阑和视场光阑。

在光学系统中，限制轴上物电成像光束大小的光阑为孔径光阑。在光学系统中一般将安置在物平面或者像平面上用以限制成像范围的光阑成为视场光阑。孔径光阑限制成像光束的孔径，即决定成像的照度、分辨率；视场光阑决定视场，及物体成像的范围。

显微干涉组件5包括Mirau干涉显微镜501、显微镜支架502、第二反射镜503和分光镜504，显微镜支架502一侧设置有显微镜旋入筒5021，显微镜旋入筒5021设置有内螺纹，Mirau干涉显微镜501的一端与显微镜旋入筒5021之间螺纹连接。

CCD图像拾取组件6包括CCD相机601、CCD相机架602、第二透镜603、第三反射镜604、图像拾取光路镜筒605、图像拾取光路镜筒支架606和图像拾取光路支撑板607，图像拾取光路镜筒支架606的侧面开设有通孔，CCD相机601固设在CCD相机架602的一端，CCD相机架602的另一端与图像拾取光路镜筒605的一端连接，图像拾取光路镜筒605的另一端固设在图像拾取光路镜筒支架606上，图像拾取光路镜筒支架606固设在图像拾取光路支撑板607上，透镜603安装在图像拾取光路镜筒605内，第三反射镜604安装在图像拾取光路镜筒支架606内，第三反射镜604与水平方向成45°角，第三反射镜604的反射面与第二反射镜503的反射面相对安装；CCD相机架602下部设有外螺纹，图像拾取光路镜筒605的上部设有内螺纹，CCD相机架602与图像拾取光路镜筒605之间通过螺纹连接。

白光光源401发出的光束，经透镜组407后成像在透镜组407的焦点上，并完全覆盖孔径光阑408，之后光束穿过视场光阑409，并进一步经第一反射镜410反射后穿过第一透镜411,之后经分光镜504进入Mirau干涉显微镜501，光束在Mirau干涉显微镜501中被其分束板分成两束，一束透射出Mirau干涉显微镜501，被待测工件10的被测表面反射回Mirau干涉显微镜501，在其分束板处与经过参考面反射的另一束光相遇，两束光在等光程或光程差极小位置产生干涉条纹，其中零级干涉条纹光强最强，对应被测面某些点在Mirau干涉显微镜的聚焦平面上，包含被测点的高度信息。干涉条纹依次经第二反射镜503和第一反射镜410反射后传送至第一透镜411，穿过第一透镜411后在CCD相机601的感光面上呈现出白光干涉图像，该白光干涉图像输送至图像采集系统9进行采集后，进一步输送至计算机控制系统8；

垂直运动装置2包括垂直运动组件201，垂直运动组件201为柔性铰链结构，其包括外平台和设置在外平台内的能够沿与待测工件10表面平行的方向作微运动的内平台，垂直运动组件201是在一块弹簧钢板上采用线切割技术加工而成。垂直运动组件201上还设有压电陶瓷202，压电陶瓷202在压电陶瓷微位移器驱动电源的驱动下能够带动内平台作微运动，压电陶瓷微位移器驱动电源由计算机控制系统控制，垂直运动组件201上开设有矩形槽，第二反射镜503安装在矩形槽内部的上端，且与水平方向成45°角，分光镜504安装在矩形槽内部的下端，且与水平方向成45°角，第一透镜411的光轴经过分光镜504的中心点；显微镜支架502一端与内平台固定连接，内平台的移动带动显微镜支架502移动，从而带动Mirau干涉显微镜501移动，完成对待测工件表面的垂直扫描测量。当垂直运动组件的内平台带动Mirau干涉显微镜作垂直扫描运动时，被测工件10表面不同高度的各点依次通过零光程差的位置，CCD相机获得干涉图像，双光栅位移计量装置记录垂直运动组件内平台的实时位移，经过计算机处理系统8的计算处理就可得到被测工件表面形貌信息。

照明光路支承板406安装在垂直运动组件201一侧，图像拾取光路支撑板607安装在垂直运动组件201另一侧。

双光栅位移计量装置1包括激光器101、放大镜102、放大镜镜筒103、静光栅104、静光栅支架105、静光栅调整板106、动光栅107、动光栅支架108、动光栅运动连接板109、第一反射镜110、第一反射镜支架111、第二反射镜112、第二反射镜支架113、光电接收器114和传感器盒115；动光栅107安装在动光栅支架108上，动光栅支架108固定在动光栅运动连接板109下部，动光栅运动连接板109下部和垂直运动组件201的内平台相连接；静光栅104安装在静光栅支架105上，静光栅支架105安装在静光栅调整板106上，静光栅调整板106安装在传感器盒115的内部；静光栅是粘贴在光栅支架上的，静光栅外观像玻璃一样透明的，动光栅也是如此。通过调整静光栅支架安装在在静光栅调整上的位置，可以调整动光栅、静光栅之间的角度和距离，从而调整干涉条纹的宽度。

激光器101和放大镜镜筒103均安装在传感器盒115的上部且在相对两侧，放大镜102安装在放大镜镜筒103内，第一反射镜110安装在第一反射镜支架111上，第一反射镜支架111安装在传感器盒115内部，且靠近激光器101一侧，第一反射镜支架111的正下方与水平方向成45O角，第二反射镜112安装在第二反射镜支架113上，第二反射镜支架113安装在传感器盒115内的靠近放大镜102的一侧，第二反射镜支架113的正下方与水平方向成45O角；激光器101发射的光束经第一反射镜110方向改变90°，垂直入射到动光栅107上，发生初次衍射，经静光栅104发生二次衍射并产生干涉条纹，当垂直运动组件的内平台带动动光栅107沿垂直方向移动时，光电接收器114接受到周期移动的干涉条纹，并传输至信号处理系统7进行处理后得到垂直运动组件201的内平台的实时位移。

计算机控制系统8通过处理白光干涉图像和垂直运动组件201的内平台的位移，得到待测工件的被测表面的三维形貌。

本实用新型利用Mirau干涉显微镜获得被测表面的白光干涉图像，当垂直运动组件的内平台带动Mirau干涉显微镜作垂直扫描运动时，被测工件表面不同高度的各点依次通过零光程差的位置，CCD相机获得干涉图像，双光栅位移计量装置记录垂直运动组件动块的实时位移，经过计算机计算处理就可得到被测工件表面形貌信息。