变间隔法实现三维形貌测量

　　1　引　　言

　　为了实现精密表面的三维形貌测量,人们提出了很多方法[1]～[10],作者也根据精密表面测量的需要,提出了在外差干涉测量系统中实现三维形貌测量的方法,图1为外差干涉测量系统的光学原理图。此干涉系统通过测相的方法测得被测表面上光点A和B所处位置的高度差,即h=[λ/(4π)]Δφ式中h——被测表面上A和B两点所处位置高度差;Δφ——相干光的相位差变化。

　　集成在一起的光学系统可沿立柱上下移动;放置工件的工作台即可手动旋转又可在直流力矩电机带动下旋转;旋转工作台放置在双坐标气浮导轨上,此气浮导轨即可手动又可在直流力矩电机带动下匀速移动,它的坐标位置由一台双频双坐标激光测量系统给出;以任意位置为起始点,当工作台转过90°时可以实现自动定位。数据采集、工作台移动和信号处理均由计算机控制来完成。

　　对于分光点式的外差干涉测量系统,一般是以光点间隔为采样间隔进行测量的。对于精密表面来说,要求采样间隔为微米级,而本文测量系统由于测量其它参数的需要及光学系统调整方面的限制,不易做到这样小的光点间隔。为此本文提出一种采用大的光点间隔实现小的采样间隔的测量方法,即先以一种光点间隔进行测量,然后微量改变光点间隔,以另一种光点间隔进行测量,而两次测量所用的采样间隔为改变前后光点间隔之差,通过一定的数据处理方式把以两种间隔采样到的数据统一起来,实现小采样间隔测量表面三维形貌的目的,这样就可避免采样间隔对光点间隔的限制。

　　2　三维形貌测量方法

　　2.1　改变光点间隔的方法

　　光点间隔改变方法如图2所示。在一条光路上放置一透明的薄玻璃片,由几何光学,加玻璃片后光点间隔改变量为:

　　n——玻璃的折射率;

　　b——玻璃片厚度。

　　在测量过程中,对改变前后的光点间隔都进行实测,分别设为D1、D2。

　　2.2　单测量线上数据采集和统一方法

　　单测量线上数据采集方法如图3所示。在开始测量之前,需要调整光路使被测表面上光点的连线与工作台移动方向平行。在测量中,工作台沿导轨移动,光学系统沿一测量线扫描,先以间隔D1进行测量,以s= D1-D2为采样间隔,测得ai、a′i的高度差为hai;改变间隔,以间隔D2进行测量,仍以s为采样间隔,测得bi、b′i的高度差为hbi。设ai以a1(b1)为零点的相对高度为ghi,则有:

　　ghi=ghi-1+hbi-1-hai　i=2,3,…n

　　gh1=0

　　2.3　三维形貌测量过程和数据统一方法

　　(1)三维形貌测量过程　在被测表面上扫描路线如图4所示,参照图1进行以下过程: