一种基于自动对焦的非球面测量系统

　　长期以来,非球面检测技术一直是制约非球面制造精度提高的难题,尤其对于高精度非球面表面的检测。非球面表面比较粗糙,不能用常规方法(如刀口阴影法,激光数字干涉仪等)进行检测。文献[1]把光栅测量技术引入非球面检测系统,采用机械接触式测量。虽然接触式测量方法具有较高的分辨率和可信度,且技术发展得相当完善,但它存在一定的接触力,需要进行测头半径补偿,测头容易划伤被测表面或被表面划伤,难以达到较高精度。近年来,在表面测量领域广泛采用非接触式测量技术,如扫描电子显微镜检测法、扫描共焦显微镜检测法,并且测量精度已从微米尺度进入纳米尺度[2]。本文在非球面检测系统中引入光学显微镜自动对焦测量技术和光栅位移测量技术,以提高其测量精度[3]。

　　1非球面加工及检测系统

　　图1所示是非球面磨削加工系统示意图。O是加工与检测的基准点。加工时,砂轮沿加工轨迹曲线AC对工件加工;测量时,检测系统沿x方向的测量轨迹OOc测量,测量数据用于补偿砂轮加工。本文设计的用于非球面测量的检测系统如图2所示,在可沿z方向移动的工作台上固定有光栅和光学显微镜。光学显微镜用于定位,使移动工作台与显微镜与工件表面在z方向的相对位置保持不变,即采用自动对焦技术使光学显微镜与工件表面在z方向距离始终为其物镜的焦距。光栅用于测量移动工作台在z方向的位移。检测系统沿x方向测量轨迹OOc在工件表面扫描。在扫描过程中,用光栅传感器进行数据采集,计算机对这些数据进行误差分析,将分析结果用于补偿砂轮加工。这种方法操作简单,能满足半精磨、精磨加工后工件表面误差测量的要求。

　　2光学显微镜自动对焦

　　图3是光学显微镜自动对焦的光路图。虚线框内为光学显微镜系统,虚线表示的光路为图像处理自动对焦光路,经CCD摄像机转成图像信号。实线表示的光路为偏心光束自动对焦光路系统,经光电探测器转成电信号。偏心光束自动对焦的原理如图4。

　　如图4所示,激光束经反射镜以偏心s射向物镜。激光束与物镜的光轴平行,成像于物镜的焦平面M点,反射后经辅助目镜成像于接受面二象限硅光电池的中心M'。此时两个光电池电压输出相等,放大器的电压输出u为零。当被检测的焦面离焦时,如图中所示的位置,则成像后在光电池上偏离中心量为±X。两个光电池电压输出不等,仪用放大器的电压输出u不为零,离焦量为正其电压输出u为正,离焦量为负其电压输出u为负。

　　式中K—光学显微镜的放大倍数

　　由图4可知,当离焦量很大时,激光束将不在光电池上成像。此时放大器的电压输出u为零,因而无法判断工件距离显微镜远还是近。针对这种情况,本文采用图像处理法自动对焦作为辅助对焦光路(图3虚线所示)。