基于机器视觉与等倾干涉术的平面度测量装置

1 引 言

    用传统等倾干涉仪测量平面度, 需靠肉眼从目镜观察, 通过旋转测微鼓轮在分划板反复压线估读干涉环直径[1], 不但准确度低, 且工作强度大, 效率低。用机器视觉与计算机技术能解决以上问题: 计算机对 CCD 采集的干涉图进行处理, 再同时测量多条干涉同心环直径并计算标准干涉环直径 D₀; 遍历所有检定点后, 计算机通过数据处理自动得到各检定点的平面度数值。

2 测量方法

    两平晶叠放在一起, 中间隔着支承架而形成空气层。若沿着平晶表面某一直线按规定间隔所选各点空气层厚度分别为 h₀, h₁,   h_i,   h_n-1, h_n。则对于第 i 点, 两平晶的平面度之和在该点的定义为:

L_i表示 i 点到 0 点距离, 是已知量。Δh_i表 i 点与 0点空气层厚度差。要得到平面度和, 还需用等倾干涉法测量 h。这里不详述等倾干涉条纹的形成原理与光路, 仅介绍如何利用干涉图计算 h。对平晶表面任一检定点所对应的空气层, 成像屏幕上都会形成一组明暗相间的等倾干涉同心环 ( 如图 3所示) 。考虑半波损失, 在近轴近似[2- 3]下, 可用由内至外任意第 m( 为保证近轴条件, 一般 m≤3) 条亮环直径 d_m及其干涉级序 ( Interference order) N_m计算 h:

要得到 Δh_i, 并不需具体求出 N_mi与 N_m0( 实际上 N_mi与 N_m0在此也是不可求的) , 只需确定干涉级序差ΔN_mi=N_mi- N_m0。该 ΔN_mi可通过观察干涉图的变化得到。从以上论述可知, 通过测量干涉环直径并确定干涉级序差, 便可求平面度。

3 系统硬件构造

    测量系统硬件构造如图 1 所示。

    钠光源发出单色光, 经光栏以点光束发射到透镜组, 经半反半透镜反射聚焦于下平晶的上表面。光束在空气层上下表面反射, 形成两支平行相干光, 透过半反半透镜与镜头, 在 CCD 传感器表面形成等倾干涉图像[4-5]。实验采用 8 位黑白 CCD 数字摄像机,由于 CCD 品质很高, 形成的干涉图几乎没有任何肉眼可观察的噪点, 如图 3 左半部分所示。

4 软件编写

    根据测量方法, 再结合实际的平面度测量步骤编写测量软件。软件主要解决图像处理, 干涉环直径的计算, 干涉级序差的确定与实验数据处理等问题。

4.1 图像处理

图像处理的最终目的是为了提取单像素大小的圆环骨架( Skeleton)[6-8]。我们依次采用了图 2 所示的算法, 由于篇幅有限, 这里直接给出处理后图像如图3 右半部分所示。对于算法选取的理论依据与数学表达式, 将另有文章详细探讨。