白光相移干涉法测量三维表面轮廓的算法及实现

　　传统的触针式轮廓仪在测量超精加工表面时，往往会在测量的同时划伤被测表面，并且传统的光学测试方法也无法满足现代工业技术的高精度、高效率和自动化的测试要求.现代机械制造业、汽车和半导体工业等都要求对产品质量进行全面控制，以提高产品的竞争能力，而零件表面轮廓作为其质评定的一个重要指标，将直接影响到产品的质量和使用性能，因此，该指标必须给予严格的控制.目前，国内外对采用白光相移干涉法对三维表面轮廓的测量已有一定程度的研究，但其测量范围小，对被测对象要求较高.

　　本文提出了一种测量范围可达O，1一501尤m，同时对被测对象要求较低的测量系统.此系统以白光干涉理论为基础，利用对所获取的干涉条纹图像的灰度分析，可精确地获得被测工件的三维表面轮廓.

　　1测量原理

　　用白光相移干涉法进行三维表面轮廓测量的原理如图1所示.利用相移干涉法测量高度差或厚度差，一般静态测量的关键问题是如何确定零光程差的参考点.本文以干涉条纹对比度的最大值作为光强度峰值的条件，采用五帧相移算法和三帧相移算法，即根据干涉平面上光强度峰值的分布和位置，就能计算出被测工件上各点的相对表面高度值，进而得到被测工件的三维表面轮廓的图形.

　　2系统的结构

　　系统包括光学部分，CCD摄像机，图像卡和计算机以及PZT(压电陶瓷)及驱动电路等部分组成，其系统结构框图如图2所示.

　　由测量原理可知，光源发出的白光经聚光镜和分光板后，部分射至参考镜上，部分射至被测工件表面上，从参考镜和从被测工件表面反射回的光束在空间相互叠加，产生可观察到的干涉条纹.用CCD摄像机接收干涉条纹图像，并将接收到的光强信号转换为电信号，送至图像卡，进行电信号放大，再经A/D转换后，存储在计算机的系统内存中，经数据处理后，可从计算机的显示屏上观察到被测工件的三维表面轮廓图形，或用打印机打印出来.

　　3算法分析与讨论

　　在采用白光相移干涉法测量工件的三维表面轮廓时，关键问题是如何以存储在内存中的干涉条纹图像中各像素的光强值为依据，计算得到被测工件表面各像素的相对表面高度数据.由白光干涉条纹的强度分布特性可知，在干涉平面上，当光程差为零时，光强度出现峰值，如果直接利用此峰值来计算被测工件上各点的相对表面高度，那么光源的波动将会给测量带来很大的误差.所以采用间接的算法，即采用干涉条纹对比度V的最大值作为光强度峰值的条件.因为

　　由两束光振动的合成公式