数字光电轮廓仪的研制

　　1　引　言

　　光电轮廓仪是以6JA型干涉显微镜为主体,在参考臂中引入压电陶瓷(PZT)作为相移器,用CCD作为探测器代替原来的目镜,由接口控制电路把CCD接受的信号送到计算机进行处理(使用相移算法和相位去包裹算法),并控制相移器扫描运动等工作,最后在屏幕上显示工件表面干涉图形、三维轮廓和测量的结果。所以,光电轮廓仪可概括为:光电轮廓仪=6JA型干涉显微镜+PZT相移器+CCD接受器+接口控制电路+计算机

　　2　数字光电轮廓仪的结构

　　2.1　总体结构

　　数字光电轮廓仪的硬件有4部分组成,它们是(1)干涉显微镜主体;(2)相移器;(3)图像采集(包括CCD和图像采集卡);(4)PC机及接口(包括D/A转换电路与PZT高压驱动电路)。如图1给出了数字光电轮廓仪的框图。其工作原理如下:

　　(1)PC机由并口(0781H)发出相移信号;

　　(2)相移器作移动动作;

　　(3)由CCD采集图像到图像卡帧体;

　　(4)重复(1)～(3)直至所需步数;

　　(5)由软件分析获得表面轮廓形状,给出PV,RMS和Ra值。

　　2.2　干涉显微镜主体

　　图2示出6JA型干涉显微镜的光学系统图。图中,标出了PZT相移器在系统中的位置,并已用CCD代替了原来的目镜。

　　2.3　相移器设计和控制

　　2.3.1　相移器机械结构设计

　　选用德国陶瓷技术股份公司(Ceram Tec.)生产的整体式多层传感器。它是由100μm厚的薄层,经最新的层压和烧结技术制成,在很低的电压下可以得到很大的位移量。其外形尺寸为10mm×10mm×10mm。施加200V的电压时,位移量可达10μm。使用这种压电陶瓷优点是:体积小,位移量大,加到6JA型干涉显微镜后,对结构和外形均没有大的影响。其缺点是:位移的线性差。这样在相移法中,不得不采用软件进行相移角度值的修正。

　　选择对干涉显微镜的参考光路进行相移的方案。这对于6JA型干涉显微镜尤为适合。光程差的调节是靠干涉显微镜手轮的钢球推动镜筒,这一结构非常有利于防止相移过程中的晃动。文中将手轮及其座子改装成如图3的结构。在图3中,首先由手轮将参考臂调整好,再对PZT加电压使其伸长,由其顶部的钢球推动镜筒,从而完成相移动作。机构中有一弹簧,目的是用于消除空回。

　　2.3.2　相移器的控制

　　采用的相移器控制框图如图4所示。考虑到PZT有着很强的非线性,而目前闭环控制技术并不成熟,故采用开环控制,这就带来了相移干涉术的关键问题:相移量如何定标?尝试了干涉条纹采样中压电陶瓷非线性误差的自动补偿方法,在对“准平面”的测量中,对每幅干涉图进行滤波,提取其基波成分,用基波的参数进行比相得到实际相移量。经过实验,发现压电陶瓷在一定范围内线性度还比较好,并大致知道在该范围内压电陶瓷单位电压下的伸缩量,故设置一近似值为每一步所加的电压,在此电压控制下,将采集的图像通过软件分析计算各幅图像间的位移量,如有差距微调各步的电压量或微调硬件控制电路的可变电阻可基本消除相移误差的影响。