用莫尔测偏法在线快速检测非球表面形貌

　　引　言

　　非球表面属于高精密表面,在科研和生产中有着十分重要的应用价值。它要求加工和测量的精度十分高。在接触式测量中常使用三坐标测量仪,它的特点是测量精度高、量程大,但　　设备昂贵,维护要求很高,设备的使用环境要求很严格,测量整个表面需要花费时间较多。在非接触式测量中通常采用干涉测量法,其中最重要的方面是如何评价所获得的干涉图,这直接关系到测量的精度。通常是采用固态摄像机来摄取被测表面的整幅干涉图像,然后应用相位计算技术一次处理整幅图像信息,它的特点是速度快、精度高。干涉法尽管有上述诸多优点,但它要求光源要有很好的空间相干性和时间相干性,这就对测量装置的机械稳定性要求很高,因而不宜作工作现场的在线检测。此外,干涉法测量的范围相对较小,被测表面的最大起伏量一般为几十微米,很少可测到上百微米。

　　莫尔测偏法也是一种非接触式光学检测法,其基本原理是根据被测物体表面所引起的莫尔条纹偏移量来测量被测物表面形貌。与干涉仪相比,由于莫尔测偏仪对光源只要求空间相干性而不要求时间相干性,使得它抗机械干扰能力强,测量装置相对简单,因此整个装置的造价低,适宜于现场检测。另外,莫尔测偏法具有可调灵敏度和较大的测量范围(可达几毫米)等特点。由于它具有上述众多的特点,尤其是它的抗干扰能力强,因此是非球面零件现场在线检测的有效解决方案。为了提高该技术的性能,在莫尔测偏法图像评价中引入了相移技术,可极大地提高测量精度和速度[1]。

　　相移莫尔测偏法———非球面表面高度的测量方法莫尔测偏仪的原理如图1所示,由光源和两块平行放置且间隔为d的Ronchi光栅1和光栅2构成,其栅线相对于x轴分别形成θ/2和-θ/2的倾角。在光源的照射下,第一块光栅的阴影投射到第二块光栅上,从而形成平行于y轴的莫尔条纹。

　　当有被测非球表面存在于光栅后面时,会引起莫尔条纹偏离其未受扰动的位置,光线偏移角φ(x,y)从本质上讲是被测面某点(x,y)处的梯度,即

　　为得到偏移角φ(x,y),需对图像进行评价。传统的方法是对莫尔条纹进行图像数字化,即求取条纹的中心位置,其缺点是精度不高。为此,将相位计算技术引入传统的莫尔测偏法中,来解决这一问题。

　　莫尔条纹可表示为如下的光强形式[2]

2　实验装置及精度分析

　　2.1　光路的实现

　　如图2所示,光路的整体结构是一望远镜系统。激光器射出的激光束经过扩束镜(放大率/数值孔径=40/0.65)和空间滤波器后,可得到受高斯光强分布影响很小的扩展光束。扩束光通过分光镜和准直物镜,扩束光会聚成为平行光,平行光直接投射到非球表面上,从被测表面返回的光束通过准直镜后投射到分光镜上,其中一部分光束由分光镜折射到聚光镜上,该光束最后通过两个光栅投射到屏幕上。若被测表面为平面镜,则物镜射出的是平行光,使光栅产生的莫尔图像是直条纹,否则莫尔条纹发生偏移。最后由固态摄像机接收经A/D转换送至计算机中,计算机同时控制相移器实现光栅2相对于光栅1的三次相移。