基于电子散斑干涉技术的直线度误差测量方法

　　直线度误差是指待测工件实际存在的直线对其理想直线的变动量。它是精密轴类机械零部件加工过程中一项最重要也是最基本的检测项目之一,比如对电梯导轨顶面直线度的测量、工件表面直线度误差的评定等。

　　由于散斑干涉测量微小位移具有精度高、灵敏度高、实时迅速、简便等优点,已经在光学检测领域得到了广泛的应用(1-3)。本文提出利用电子散斑干涉技术及计算机控制的CCD获取物体位移前后的散斑场来实现直线度误差的测量。

　　1 面内位移测量原理

　　面内位移的测量是散斑测量中较为常用的一种,图1为散斑照相的一般光路,用激光照射表面粗糙的毛玻璃,由于其表面漫散射,将产生许多随机分布的亮暗散斑,用连接于计算机图像采集卡上的CCD对其进行位移前后的散斑图的接收。对于物体(毛玻璃)上的每一个散射点都有一对散斑对与之对应,又因为物体是作微小移动,所以任一散斑对都可以看成是衍射双孔,当用激光照射散斑对时,就会产生杨氏干涉条纹,通过测量散斑干涉条纹的间隔就可以计算出物体的位移值。 

　　设在像平面上的散斑强度分布为:

　　其中Ar(x,y)是散斑的振幅;

　　上式中是频谱面上的位置坐标,fc是傅里叶变换透镜的像方焦距,λ是激光波长,ΦR(ξ,η)是Ir(x,y)的傅里叶变换,为调制因子。(2)式中的第一项的平方表示当衍射效应忽略时,照明光源在透镜焦点处很小的像,第二项就是杨氏干涉项,其模平方即光强分布为:

　　由上式可知杨氏干涉条纹对应的光程差,两边求微分得。如果,那么,d0是干涉条纹的间距,即,那么:

　　实验中激光的波长K、透镜的焦距fc、垂直放大率M都为已知量,只要用CCD将频谱图像采集并且通过数字图像处理、条纹识别等过程,就可以计算出杨氏干涉条纹的间距d0,即可得物体的微小位移Ux(5)。

　　2 直线度误差的测量原理

　　测量装置及光路如图2所示,系统主要由光源(He-Ne激光器),准直扩束系统,毛玻璃,线阵CCD,VGA视频分配器,空间光调制器SLM,待测工件,工作台,轴向进给装置,精密回转机构,伺服控制系统、计算机等部分组成(6,7)。图中从He-Ne激光器发射激光束经过准直扩束后到达分束板G,经G反射的一路光束由毛玻璃散射后被CCD接收(其中毛玻璃M被固定在只能沿着竖直方向移动的平面内,其下端与待测工件外表面相接触,工件置于测量工作台上两个等高的顶尖支架上,支架一端固定,另一端装有精密回转机构,可让工件绕其轴线z轴转动,伺服控制系统控制工作台沿轴向z轴移动),这一路用于散斑图像的采集;另一路透射光束用于记录散斑干涉条纹。其中SLM为空间光调制器,它可以在随时间变化的电驱动信号(电压)控制下,改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态等,进而把非相干光转化成相干光(8,9);P1为偏振棱镜,P2为偏振片,L1为傅立叶变换透镜,L2为成像透镜,由于工件有直线度误差的存在,所以当工件随着轴线转动时,与其上表面接触的毛玻璃就会沿着竖直方向作微小位移,进而使CCD记录到的散斑条纹发生变化,由散斑条纹的变化求出毛玻璃位移的变动量,进而计算工件的直线度误差。