一种用于微球全表面缺陷检测的辅助测量装置及测量方法与流程

本发明涉及光学检测空间物体表面三维形貌技术领域，具体地，涉及一种用于微球全表面缺陷检测的辅助测量装置及测量方法。

背景技术：

随着微纳米加工技术的不断进步，微型光学元件、机械元件的应用越来越广泛，有着广阔的发展前景。直径数十微米至数毫米的微球广泛用于微光学、精密机械、微机电系统和可控核聚变科学研究等领域。在微光学领域，微球面表面形貌误差对微光学系统光传输、成像质量等方面有重要的影响；在精密机械领域，作为精密运动的核心零件，微型滚珠以及球形轴尖有着广泛的应用，其表面质量对运动机构的精度和寿命有着重要的作用；在微机电系统中，微纳米测量机的测头作为被测工件几何特征信息的传感器，要求其探球直径在数十至数百微米内，且球度要求控制在数十纳米量级甚至更高；在可控核聚变科学研究领域，作为热核反应燃料容器的微球称为靶丸，其表面微小的缺陷都可能对激光聚变实验产生影响，从而决定了实验的成败。

这些应用都对微球面的表面形貌质量有着较高的要求，因而对于微球面的表面形貌的检测与评价，一直是人们研究的重点。2005年，哈尔滨工业大学的赵学森、孙涛等人在《激光靶丸表面几何状态的测量系统及评价方法研究》一文中建立了由改造的原子力显微镜、精密回转气浮轴系、辅助转位轴系组成的靶丸表面形貌精密测量系统，实现了icf靶丸3个正交方向上完整周线的测量。但该方法只在正交的3个圆周上进行取点测量，虽然原子力显微镜具有极高的纵向分辨率，但其横向分辨率由扫描轨迹的疏密程度决定，且轨迹间的孤立缺陷点容易被忽略，存在信息量偏低、效率不高等局限性。为了弥补原子力显微镜存在的不足，法国相关科研机构在《characterizationofthemicro-shellsurfaceusingholography》一文中采用数字全息显微的测量方法进行靶丸全表面检测的研究工作。通过多个等间隔经圆的扫描实现靶丸全表面形貌的无遗漏检测，其测量过程需要在正交放置的两轴系间多次进行靶丸的翻转，操作繁琐且引入了大量扫描机构运动误差。哈尔滨工业大学的卢丙辉等人于《移相衍射干涉法微球型靶丸全表面形貌检测技术研究》一文中在此基础上采用移相衍射干涉法，通过沿纬线测量避免了靶丸的频繁翻转，但是其实验设备只能完成覆盖半球的测量。

白光扫描干涉测量技术采用非接触测量方式，分辨率可达到纳米级，有重复性好、环境适应性好、抗干扰性强等优点，因此采用白光干涉测头对微球表面形貌进行局部检测。由于白光干涉测头的测量范围有限，无法满足微球的全表面测量。因此需要一种辅助测量装置对微球进行一定规律的角度旋转，以实现微小球面的高精度、高效率、非接触、无遗漏点检测。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于微球全表面缺陷检测的辅助测量装置及测量方法，主要解决现有白光扫描干涉测量范围小，满足不了微球的全表面测量的技术问题，以及传统等间隔经圆法覆盖微球全表面所造成的微球旋转交换次数多、操作繁琐、引入误差大的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

根据本发明的第一方面，提供一种用于微球全表面缺陷检测的辅助测量装置，包括底座、微球主吸附机构和微球辅助吸附机构，所述微球主吸附机构和所述微球辅助吸附机构分别固定在所述底座上，其中，

所述微球主吸附机构具有用于吸附微球的主轴吸嘴，所述主轴吸嘴连接驱动机构，通过所述驱动机构实现所述主轴吸嘴绕所述微球的球心的转动和/或实现所述主轴吸嘴自转；

所述微球辅助吸附机构具有用于吸附微球的辅助轴吸嘴，所述辅助轴吸嘴通过连接另一驱动机构能在三维方向移动，实现以下至少一种运动：

-所述辅助轴吸嘴与所述主轴吸嘴之间的微球交换运动；

-所述辅助轴吸嘴的自转运动；

-所述微球在所述辅助轴吸嘴吸附状态下的翻转运动，所述翻转是指经所述辅助轴吸嘴的传递，所述主轴吸嘴可分次吸附所述微球相对两侧的表面。

可选地，所述微球主吸附机构还包括转台，所述转台铰接在所述底座上，所述第一驱动机构连接所述主轴吸嘴并固定在所述转台上，所述转台通过所述第一驱动机构带动所述主轴吸嘴绕所述微球的球心转动，所述第一驱动机构驱动所述主轴吸嘴自转。

可选地，所述微球主吸附机构还包括主轴连接板和转台连接板，其中，所述转台通过所述转台连接板铰接在所述底座上，所述第一驱动机构通过所述主轴连接板固定在所述转台上。

可选地，所述第一驱动机构穿过所述主轴连接板上的中心圆孔连接所述主轴吸嘴并通过所述主轴连接板固定在所述转台上。

可选地，所述微球辅助吸附机构还包括三维移动机构，所述第二驱动机构连接所述辅助轴吸嘴并连接固定在所述三维移动机构上，所述三维移动机构带动所述辅助轴吸嘴三维方向移动实现其与所述主轴吸嘴之间的微球交换，所述第二驱动机构驱动所述辅助轴吸嘴自转。

可选地，所述微球辅助吸附机构还包括辅助轴连接板，所述第二驱动机构穿过所述辅助轴连接板的中心圆孔连接所述辅助轴吸嘴并通过所述辅助轴连接板连接固定在所述三维移动机构上。

可选地，所述三维移动机构包括z方向位移台、z轴连接板、y方向位移台、x方向位移台，其中，所述x方向位移台固定在所述底座上，所述y方向位移台固定在所述x方向位移台上，所述z轴连接板固定在所述y方向位移台上，所述z方向位移台固定在所述z轴连接板上，所述z方向位移台通过所述辅助轴连接板与所述辅助轴自转电机相连接固定。

可选地，所述主轴吸嘴的主轴在所述第一驱动机构的驱动下能在竖直平面内自由转动，且所述主轴吸嘴的主轴转至水平位置时与所述辅助轴吸嘴的辅助轴成正交关系。

根据本发明的第二方面，提供一种利用上述的用于微球全表面缺陷检测的辅助测量装置的测量方法，所述测量方法用于对微球的全表面进行测量，包括：

s1、使主轴吸嘴吸附待检测的所述微球的一侧面，驱动所述主轴吸嘴的主轴转动至竖直位置，即所述主轴吸嘴的主轴与底座相垂直；

s2、调整白光干涉测头轴心对准所述微球的球心并拍摄图像，获得单次形貌图像；

s3、驱动所述主轴吸嘴沿顺时针转动一定角度，重复s2获取所述微球相较于所述白光干涉测头的轴心转动一定角度后的形貌图像；驱动所述主轴吸嘴自转一定角度，重复s2获取当前所述微球与所述白光干涉测头的相对纬度一定的前提下随着所述主轴吸嘴自转一定角度后的形貌图像；继续使所述主轴吸嘴自转一定角度直至所述微球旋转一周为止，获取所述微球当前纬度一圈的形貌图像；

s4、重复s3，直至主轴转至水平位置，完成所述微球的半球检测；

s5、使辅助轴吸嘴对准所述主轴吸嘴上的所述微球，交换所述微球至所述辅助轴吸嘴，所述辅助轴吸嘴在辅助轴自转电机的驱动下自转180度，使所述微球翻转，再交换回所述主轴吸嘴，从而使主轴吸嘴吸附所述微球的另一侧面；

s6，将所述转台的转动方向改为逆时针，重复s3直至所述主轴吸嘴的主轴转至竖直位置，完成覆盖所述微球的全表面的形貌图像。

优选的，将获得所有单次形貌图像进行拼接处理，从而根据所述拼接处理的结果获得整个所述微球的表面缺陷评价。

与现有技术相比，本发明具有如下至少一种有益效果：

本发明上述装置和方法通过白光扫描干涉测量，确保采集图像间形成覆盖，达到微球全表面无遗漏测量，解决了现有技术中使用原子力显微镜测量所造成的轨迹间孤立缺陷点容易被忽略、信息量偏低等局限性。

本发明上述装置和方法，分纬度测量方法通过主辅轴系的合理配合，在整球测量过程中只需交换微球一次，实现微球全表面检测，操作方便、测量效率高、大大减少了误差，解决了微球全表面缺陷检测中操作繁琐、引入误差大的问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的辅助测量装置的结构示意图；

图2为本发明一优选实施例进行微球表面缺陷检测的测量方法原理示意图；

图中标记1-15分别表示为：底座1、主轴自转电机2、转台3、主轴连接板4、主轴吸嘴5、转台连接板6、辅助轴自转电机7、辅助轴吸嘴8、辅助轴连接板9、z方向位移台10、z轴连接板11、y方向位移台12、x方向位移台13、待测微球14、白光干涉测头15。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，为本发明的用于微球表面缺陷检测的辅助测量装置的一实施例示意图，包括底座1，主轴自转电机2，转台3，主轴连接板4，主轴吸嘴5，转台连接板6，辅助轴自转电机7，辅助轴吸嘴8，辅助轴连接板9，z方向位移台10，z轴连接板11，y方向位移台12，x方向位移台13。其中，主轴自转电机2、转台3、主轴连接板4、主轴吸嘴5构成微球主吸附机构，转台连接板6通过螺钉固定在底座1上，转台3通过螺钉固定在转台连接板6的竖直面上，主轴自转电机2穿过主轴连接板的中心圆孔连接主轴吸嘴5并通过主轴连接板4固定在转台3上。

主轴吸嘴5作为微球的主要吸附部件，其与微球的球心之间的连线即为其带动微球运动时的主轴，可实现按照不同纬度方向的环带依次从顶端方向到赤道方向将微球的表面展露在作为图像采集设备的白光干涉显微镜下。具体而言，首先主轴吸嘴5的主轴在转台3的驱动下可在竖直平面内自由转动，即实现了带动微球纬度方向的变化，与此同时主轴吸嘴5可在主轴自转电机2的驱动下自转从而带动微球在纬度方向变化的同时自身旋转，从而使微球可将其任一纬度方向时的每一表面均展露在白光干涉显微镜下。

如图1所示，辅助轴自转电机7，辅助轴吸嘴8，辅助轴连接板9，z方向位移台10，z轴连接板11，y方向位移台12，x方向位移台13构成微球辅助吸附机构，其中，x方向位移台13固定在底座1上，y方向位移台12固定在x方向位移台13之上，z轴连接板11通过垫板固定在y方向位移台12上，z方向位移台10通过螺钉固定在z轴连接板11的竖直平面上，辅助轴自转电机7穿过辅助轴连接板9的中心圆孔连接辅助轴吸嘴8并通过辅助轴连接板9固定在z方向位移台10上。

辅助轴吸嘴8作为微球的辅助吸附部件，其与微球的球心之间的连线即为其带动微球运动时的辅助轴。辅助轴吸嘴8的主要作用在于实现与主轴吸嘴5之间的微球交换以及微球的翻转，从而配合主轴吸嘴5实现微球的全表面缺陷检测。具体而言，辅助轴吸嘴8可在x方向位移台13、y方向位移台12以及z方向位移台10所构成的三维移动机构的驱动下三维移动，从而精确对接主轴吸附5上所吸附的微球所处的空间位置，从而实现微球的精确交换。同时，辅助轴吸嘴8又可在辅助轴自转电机7的驱动下自转，实现微球的翻转并将翻转后的微球再交换回主轴吸嘴5上，使主轴吸嘴5可分次吸附微球的两侧表面，以实现微球全表面缺陷检测的目的。

在一些实施例中，主轴吸嘴5和辅助轴吸嘴8采用负压吸嘴，通过橡胶导管将主轴吸嘴5和辅助轴吸嘴8连接真空泵，通过真空泵产生负压从而对微球进行吸附。真空泵8可以调节吸附力的大小，避免吸附微球时损伤其表面。在一些优选实施例中，吸嘴可吸附1至2毫米直径的微球。

在一些实施例中，辅助轴吸嘴8的辅助轴置于水平面，通过x方向位移台13、y方向位移台12以及z方向位移台10调节辅助轴吸嘴的空间位置，使辅助轴吸嘴8与主轴吸嘴5精准对接，实现微球在主辅轴系间的位置交换。

在一些实施例中，主动吸嘴5的主轴通过转台3驱动可实现绕转台3中心在竖直平面内自由转动，当主动吸嘴5的主轴转至水平位置时与辅助轴吸嘴8的辅助轴成正交关系，从而精确控制两者之间的相对空间位置，提高检测精度。

本实施例中的用于微球表面缺陷检测的辅助测量装置可进行如下的微球全表面缺陷检测的测量方法，如图2所示：

步骤1)开启与主轴吸嘴5相连的真空泵使主轴吸嘴5吸附微球14，转台3驱动主轴转动至竖直位置，即主轴与底座1垂直。

步骤2)调整白光干涉测头15轴心对准微球14的球心，并使微球14顶部区域处于白光干涉物镜15焦点上，拍摄一张图像，获得微球14所处位置下的单次形貌图像。

步骤3)转台3驱动主轴吸嘴5的主轴沿顺时针转动一定角度a，此时微球14的纬度相较于步骤1)中的初始纬度，即主轴与底座1垂直时的纬度发生变化，也与白光干涉测头15轴心之间的相对角度发生变化。重复步骤2)获取微球14处于当前纬度时的单次形貌图像。

之后，主轴自转电机2驱动主轴自转一定角度b，重复步骤2)，继续使主轴自转角度b并拍摄直至微球14旋转一周为止，获取微球14当前纬度一圈的形貌图像。

在一些实施例中，转台3的旋转角度a和主轴自转角度b的选取和计算遵循一个原则：使相邻纬度间图像和同纬度相邻图像间覆盖率达到20％到30％，从而提高对微球14的表面缺陷检测的精度。

步骤4)重复步骤3，直至主轴转至水平位置，完成微球14的半球的检测。图2所示的即为微球14的纬度变化过程。

步骤5)调整x方向位移台13、y方向位移台12以及z方向位移台10，使辅助轴吸嘴8对准主轴吸嘴5上的微球14，开启与辅助轴吸嘴8相连接的真空泵，之后关闭主轴吸嘴5的真空泵，交换微球14至辅助轴吸嘴8所对应的辅助轴，辅助轴自转电机7驱动辅助轴自转180度，使微球14翻转，再交换回主轴，即由主轴吸嘴5吸附。同理，在交换回主轴的过程中，开启辅助与主轴吸嘴5相连接的真空泵，之后关闭辅助轴吸嘴8的真空泵，完成微球14的交换。

步骤6)将转台3转动方向改为逆时针，重复步骤3)直至主轴转至竖直位置，即初始位置，完成覆盖微球表面的形貌图像采集工作。即，主轴吸嘴5分两次逐一对微球14的两个半球进行了半球表面的形貌图像采集工作。

步骤7)将获得的所有单次形貌图像作拼接处理，获得整个微球14的表面的形貌图像，从而可根据整个微球表面的形貌图像对其进行表面缺陷评价。

本发明上述实施例，通过白光干涉测头15测量，确保采集图像间形成覆盖，达到微球全表面无遗漏测量，解决了现有技术中使用原子力显微镜测量所造成的轨迹间孤立缺陷点容易被忽略、信息量偏低等局限性。

本发明通过主辅轴系的合理配合，在整球测量过程中只需交换微球一次，克服了现有技术中只能测量半球的缺点，操作方便、测量效率高、大大减少了误差，尤其是引入大量扫描机构所导致的运动误差，解决了微球全表面缺陷检测中操作繁琐、引入误差大的问题。

上述实施例附图中，相同的附图标记代表相同的零部件或作用同等的零部件，且描述中使用的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等类似的术语仅指相对于图形而言，目的是为了方便地描述本发明。

上述实施例所有附图仅仅是为了便于解释说明本发明的技术内容；构成最优实施方式所采用的数字、零部件的位置、零部件之间的相互关系以及零部件的尺寸等技术特征不构成对技术方案本身的限定，而应延伸至该技术领域所覆盖的整个领域。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。