基于光学相干层析的全深式曲面轮廓测量装置的制作方法

本实用新型涉及光学测量及成像技术领域，具体涉及一种基于光学相干层析的全深式曲面轮廓测量装置。

背景技术：

传统的曲面轮廓测量大都是通过接触式的机械仪器，在对一些精度要求高、表面加工质量要求较高、要求非接触式测试的场合，传统的接触式不能满足检测要求。本实用新型以二维频域光学相干层析为检测原理，针对传统的光学相干层析检测干涉条纹图像对比度差，存在直流及背景干扰，采用两步移相法的方法去除直流及背景干扰，有效去除干扰，提高干涉条纹对比度。传统的相干层析检测方法由于存在复共轭镜像，导致检测成像与镜像重叠、交错，无法有效分别实际成像与镜像，传统的做法是将检测曲面置于负光程或正光程处，这就浪费了检测一半的成像及检测能力。因此，在对现有曲面轮廓测量方法进行了解和研究的基础上，设计出一种提高二维光谱图像对比度、有效去除直流干扰、去除复共轭镜像、效率高、精度高、非接触、无损及高分辨率的曲面轮廓测量装置和方法具有极大的工程意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种基于光学相干层析的全深式曲面轮廓测量装置，实现对曲面轮廓的非接触测量，测量速度快，精度高。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于光学相干层析的全深式曲面轮廓测量装置，该装置包括：SLD光源、凸透镜、第一柱透镜、第一分光镜、参考镜、待测曲面轮廓件、第二柱透镜、反射镜、反射式光栅、柱透镜和面阵CCD相机；所述SLD光源发出的点光源经过凸透镜准直为平行光束；该平行光束通过第一柱透镜聚焦为焦线光束，第一分光镜将焦线光束分为强度相等的两束光线，一束为参考光汇聚于参考镜，一束为探测光汇聚于待测曲面轮廓件；两束光线经反射后重合发生干涉，干涉光束经反射式光栅按波长在空间分光后由柱透镜汇聚成干涉谱线，由面CCD相机采集获得二维干涉光谱条纹。

进一步的，还设置有一电动位移平台扫描模块，包括电动线性位移平台和可调整式样品安装架；所述电动线性位移平台可通过控制器对一个轴方向进行运动控制，驱动线性扫描位移平台垂直于探测光束方向运动，从而实现扫描式检测；所述可调整式样品安装架用于固定安装待测曲面轮廓件，可对待测曲面轮廓件姿态进行调整。

进一步的，还设置有一移相器；所述移相器为由可编程式直流电压源控制的压电陶瓷；所述压电陶瓷上安装有反射镜，通过可编程式直流电压源对压电陶瓷输入不同的电压，驱动压电陶瓷实现纳米量级位移。

进一步的，还包括一单频激光光源、一第二分光镜；所述第二分光镜设于第二柱透镜与反射镜之间，所述单频激光光源发射的激光发射至第二分光镜一入光口。

进一步的，所述单频激光光源、第二分光镜用于为整个装置二维光谱仪系统波长标定引入波长已知的特征谱线。

进一步的，所述由CCD相机采集获得二维干涉光谱条纹二维干涉光谱条纹经计算机处理，获得待测曲面轮廓表面信息。

进一步的，基于光学相干层析的全深式曲面轮廓测量装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1:通过调整可调整式样品安装架，调整待测曲面轮廓件位置和姿态，产生干涉信号；

步骤S2:通过可编程式直流电压源对压电陶瓷输入不同的电压，驱动压电陶瓷实现定步距位移，采用面阵CCD相机图像采集模块对干涉条纹图像进行成像和记录,获得若干组不同相位差的干涉光谱；

步骤S3:将采集到的干涉光谱传输到计算机，完成两相去直流，修正的五步移相法重构复数形式的二维干涉光谱信号；

步骤S4:根据得到的二维干涉光谱信号，采用图像处理软件进行条纹信号的处理，得到曲面轮廓件的检测曲线，经扫描可获取整个检测曲面的曲面轮廓信息。

进一步的，所述步骤S4具体为：

步骤S41:图像处理软件模块对二维干涉光谱信号每行像素点光强先加Hanning窗函数，后进行快速傅里叶变换，并采用能量重心法对峰值频率进行校正，精确提取出各行像素点强度变化频率；

步骤S42:将各行像素点强度变化频率乘以经波长标定后自搭建光谱仪所确定的系统距离分辨率即得到曲面轮廓件的检测曲线，经扫描可获取整个检测曲面的曲面轮廓信息。

进一步的，采用两步移相法去除成像信号中的直流干扰，具体如下：

干涉信号中直流项信号|Ir(k,y)|²及互干涉项|Is(k,y)|²不受光程差影响，在测量中先后采集二维光谱信号I1(k,y)及由移相器移位后得到的另一二维光谱信号I2(k,y),光谱信号可以表示为：

I1(k,y)＝|Ir(k,y)|²+|Is(k,y)|²+2|Ir(k,y)||Is(k,y)|cos(Δφ1(k,y)) ⑴

I2(k,y)＝|Ir(k,y)|²+|Is(k,y)|²+2|Ir(k,y)||Is(k,y)|cos(Δφ2(k,y)) ⑵

其中k为波数，y为探测焦线上检测点的竖向位置坐标，Δφ1(k,y)为第一次采集时参考光与样品光相位角，Δφ2(k,y)为第二次采集时参考光与样品光相位角，由式⑴减去式⑵得到去除直流及自相干的干涉信号：

I3(k,y)＝2|Ir(k,y)||Is(k,y)|cos(Δφ(k,y))

通过改变光程差从而改变干涉信号中的相位，将两组光谱信号相减，得到只包含曲面轮廓表面位置信息的二维干涉光谱。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

本实用新型装置光路结构简单，易于实现、可实现对曲面轮廓的高精度、非接触、无损伤的精密检测。

附图说明

图1是本实用新型实施例的装置结构示意图。

图2是本实用新型实施例的已拆除单频激光光源及第二分光镜装置的结构示意图。

图3是本实用新型实施例中产生二维干涉条纹及两步移相去直流处理过程，在零相位差处采集得二维光谱I1(k,y)，移相器移相后采集得另一二维光谱I2(k,y)，两光谱相减得去除直流及背景噪声的二维光谱信号。

图4是本实用新型实施例中两步移相去直流处理前后效果对比，通过光谱图片对比可知，去除直流及背景噪声后，二维干涉条纹图条纹对比度提高了很多，经傅里叶变换后，直流信号S0得到了有效去除。

图5是本实用新型实施例中五步移相法重构复数形式光谱处理过程，通过控制可编程式直流电压源驱动压电陶瓷实现特点的位移变化，引入特定的光程差后就可以得到相位差固定的五幅干涉光谱(I1(k)、I2(k)、I3(k)、I4(k)、I5(k))，由此求解出由此求解出二维干涉光谱不同波长光强幅值A(k)和相位φ(k)得到复数形式的二维干涉光谱信号，对重构的二维复数信号进行傅里叶变换得到去除直流及共轭镜像成像图。

图6是本实用新型实施例中对重构的二维复数信号进行傅里叶变换、频谱校正处理及扫描得到整个曲面轮廓的过程，对重构的二维复数信号进行傅里叶变换、频谱校正处理得到精确的强度变化频率值乘以测距分辨率得到检测的曲线控制位置信息，经扫描后得到整个曲面轮廓空间信息。

图1中，1-SLD光源，2-凸透镜，3-柱透镜，4-分光镜1，5-参考镜，6-移相器(压电陶瓷)，7-待测曲面轮廓件，8-待测曲面轮廓件安装架，9-电动位移平台，10-柱透镜，11-单频激光光源，12-分光镜2，13-反射镜，14-反射式光栅，15-柱透镜，16-面阵CCD相机。其中，1-SLD光源和2-凸透镜构成钨卤素灯光源光源模块，3-柱透镜、4-分光镜1、5-参考镜、6-移相器(压电陶瓷)，7-待测曲面轮廓件及光源构成迈克尔逊干涉仪模块，13-反射镜、14-反射式光栅、15-柱透镜及16-面阵CCD相机构成二维光谱仪模块。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。

请参照图1，本实用新型提供一种基于光学相干层析的全深式曲面轮廓测量装置，具体包括：SLD光源模块，发散的SLD点光源经凸透镜准直为平行光束，用于曲面轮廓检测；

迈克尔逊干涉仪模块，系统包括柱透镜、分光镜及参考镜，柱透镜将平行光束聚焦为焦线，焦线通常包括几百到上千个检测点，分光镜将光束分束为强度相等的两束光线，一束作为参考光汇聚于参考镜，另一束作为探测光汇聚于安装在样品架上的待测曲面轮廓表面，两束光经反射后重合发生干涉；

二维光谱仪模块，系统包括反射式光栅、柱透镜、面阵CCD相机，干涉光束经光栅按波长在空间分光后由柱透镜汇聚成干涉谱线，由面CCD相机采集获得二维干涉光谱条纹；

电动位移平台扫描模块，包括电动线性位移平台和可调整式样品安装架，电动线性位移平台为精密伺服电机及丝杆螺母副机构，可通过控制器由计算机对一个轴方向进行运动控制，驱动线性扫描位移平台垂直于探测光束方向运动，从而实现扫面式检测，可调整式样品安装架为检测曲面样品件安装、固定夹具，可对检测曲面样品姿态进行调整从而产生对比度高的干涉条纹；

移相器模块，为由可编程式直流电压源控制的压电陶瓷，压电陶瓷上安装有反射镜，通过可编程式直流电压源对压电陶瓷输入不同的电压，驱动压电陶瓷实现纳米量级位移；

计算机，用于对二维干涉条纹图像采集、传输模块、扫面电动位移平台的控制，并对传输到计算机的条纹图像信号进行存储和处理；

图像处理软件模块，用于对所述的条纹图像信号进行处理，包括滤波、移相、复数信号重构、快速傅里叶变换、频谱校正等，获得待测曲面轮廓表面信息。

还包括一单频激光光源、一第二分光镜；所述第二分光镜设于第二柱透镜与反射镜之间，所述单频激光光源发射的激光发射至第二分光镜一入光口；系统使用单频激光光源作为自搭建光谱仪波长标定特征光源，所述单频激光光源及第二分光镜用于为整个装置二维光谱仪系统波长标定引入波长已知的特征谱线，在及检测前需完成自搭建二维光谱仪系统波长标定，之后可以将该单频激光光源及第二分光镜拆除，后续检测光路不再用到该单频激光光源及第二分光镜。

在检测开始，需对系统进行竖向坐标标定，以确定使用的相机的单个像素点在检测中在竖向上所代表的实际长度，其方法是使用长度d已知的测量物置于待测曲面样品安装架位置，相机成像后获得测量物在相机成像中的像素点数s，则竖向上系统相机每个像素点代表的实际长度为d/s。

在本实用新型一实施例中，基于光学相干层析的全深式曲面轮廓测量装置的控制方法，包括以下步骤：

A、针对待测曲面轮廓件位置调整样品安装架及姿态，产生干涉信号；

B、通过可编程式直流电压源对压电陶瓷输入不同的电压，驱动压电陶瓷实现定步距位移，采用面阵CCD相机图像采集模块对干涉条纹图像进行成像和记录,获得五组不同相位差的干涉光谱；

C、将采集到的干涉条纹图像传输到计算机，完成两相去直流，修正的五步移相法重构复数形式的二维干涉光谱信号，采用图像处理软件模块进行条纹信号的处理；

D、图像处理软件模块对采集到的一系列图像每行像素点光强先加Hanning窗函数，后进行快速傅里叶变换(FFT)，并采用能量重心法对峰值频率进行校正，精确提取出各行像素点强度变化频率；

E、图像处理软件模块将各行像素点强度变化频率乘以经波长标定后自搭建光谱仪所确定的系统距离分辨率即得到曲面轮廓件的检测曲线，经扫描可获取整个检测曲面的曲面轮廓信息。

进一步的，所述的一种基于光学相干层析的全深式曲面轮廓测量装置，其特征在于：二维光学相干层析的全深式曲面轮廓测量系统中，相机采集到的二维干涉图为参考光Ir与样品光Is发生干涉矢量相加由相机感光元件感光而获得。参考光Ir可表示为：Ir(k,y)＝Sr(k)e^i2kr，其中k为光谱波数，r为参考光光程，Sr(k)为参考光的谱功率分布函数。样品光Is可表示为Is(k,y)＝Ss(k)e^{i2k(r+n*Δz(y))}

其中Ss(k)为样品光的谱功率分布函数，n为光在空气中的折射率，n*Δz(y)为参考光与样品光光程差。二维干涉条纹I(k,y)可表示为：

I(k,y)＝|Ir(k,y)|²+|Is(k,y)|²+2|Ir(k,y)||Is(k,y)|cos(Δφ(k,y))

其中Δφ(k,y)＝4πnΔz(y)k，Δz(y)为探测焦线上各点在光路方向上的曲面轮廓深度变化。

通过可编程式直流电压源对压电陶瓷输入不同的电压，驱动压电陶瓷实现定步距位移，获得五组不同相位差的干涉光谱，以修正的五步移相法重构复数形式的光谱信号从而去除成像信号中的复共轭镜像信号，实现全深式检测，对重构后的二维干涉条纹I(k,y)的每行像素点光强进行快速傅里叶变换(FFT)，提取出各行像素点强度变化频率，乘以经波长标定后自搭建光谱仪所确定的系统距离分辨率即得到在光路方向上的曲面轮廓深度变化Δz(y)，此即为全深式曲面轮廓测量检测原理。

在本实用新型一实施例中，以两步移相法去除成像信号中的直流干扰，干涉信号中直流项信号|Ir(k,y)|²及互干涉项|Is(k,y)|²不受光程差影响，在测量中先后采集二维光谱信号I1(k,y)及由移相器移位后得到的另一二维光谱信号I2(k,y),光谱信号可以表示为：

I1(k,y)＝|Ir(k,y)|²+|Is(k,y)|²+2|Ir(k,y)||Is(k,y)|cos(Δφ1(k,y)) ⑴

I2(k,y)＝|Ir(k,y)|²+|Is(k,y)|²+2|Ir(k,y)||Is(k,y)|cos(Δφ2(k,y)) ⑵

其中k为波数，y为探测焦线上检测点的竖向位置坐标，Δφ1(k,y)为第一次采集时参考光与样品光相位角，Δφ2(k,y)为第二次采集时参考光与样品光相位角，由式⑴减去式⑵得到去除直流及自相干的干涉信号：

I3(k,y)＝2|Ir(k,y)||Is(k,y)|cos(Δφ(k,y))

从表达式中可知，相减后可以完全去除直流干扰和自相关噪声。该方法是通过改变光程差从而改变干涉信号中的相位，将两组光谱信号相减，得到只包含曲面轮廓表面位置信息的二维干涉光谱。

在本实用新型一实施例中，针对实数傅里叶变换存在的复共轭镜像干扰，镜像信号通常会与成像信号相互重叠难于有效分辨成像信号，而传统的做法是将检测的曲面样品置于光路的正光程或负光程部分，这就浪费了光学系统一半的检测能力和成像深度，通过可编程式直流电压源对压电陶瓷输入不同的电压，驱动压电陶瓷实现定步距位移，获得五组不同相位差的干涉光谱，以修正的五步移相法重构复数形式的光谱信号从而去除成像信号中的复共轭镜像信号，实现全深式检测。

当参考镜和待测曲面轮廓件之间的光程差发生变化时就可以得到一个相位差，通过控制可编程式直流电压源驱动压电陶瓷实现特点的位移变化，引入特定的光程差后就可以得到相位差固定的五幅干涉光谱，由此求解出二维干涉光谱不同波长光强和相位。光强表达式为：

其中I0(k)为直流项信号|Ir(k,y)|²及互干涉项|Is(k,y)|²之和，A(k)为二维干涉光谱不同波长光强，φ(k)为二维干涉光谱不同波长相位，δ0为移相的相位差，A(k)cos(φ(k)-2δ0)为去除直流及自相干的干涉信号。

求解式⑶得二维干涉光谱不同波长光强和相位：

通过添加修正因子k/k0后得到修正后的二维干涉光谱不同波长光强和相位：

由此可以重构出复数形式的的二维干涉光谱信号。

在本实用新型一实施例中，图像处理软件模块对采重构出复数形式的的二维干涉光谱信号先加Hanning窗函数，后进行快速傅里叶变换(FFT)，并采用能量重心法对峰值频率进行校正，精确提取强度变化频率。

能量重心法对各行像素点强度变化频率计算公式为：

其中，为第i帧(即i时刻)条纹图像的归一化频率，Gk为离散频谱的最大值，k表示第k条离散功率谱线，Gk+j为第(k+j)条谱线的值，z为用于能量重心计算所采用的谱线条数。第i帧(即i时刻)条纹密度di与归一化条纹频率之间的计算公式为：

其中，N为条纹图像在宽度方向上的像素点数。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。