專利名稱：表面粗糙度非接觸測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及物體表面粗糙度，特別是一種表面粗糙度非接觸測量裝置。主要應(yīng)用于軟材料、易損工件及某些有信息的表面進(jìn)行表面粗糙度的測量。
背景技術(shù)：
表面粗糙度是機(jī)械加工中描述表面微觀形貌非常重要的一個參數(shù)，表面粗糙度測量是現(xiàn)代精密測試計量技術(shù)的一個重要組成部分。
目前廣泛使用的機(jī)械觸針式輪廓儀，雖然測量準(zhǔn)確度高，但觸針與工件表面的接觸，易劃傷工件和磨損觸針；同時觸針針尖的尺寸也限制了測量的空間分辨力。為了克服接觸測量的這些缺點，采用了許多非接觸測量表面粗糙度的方法。其中光學(xué)臨界角法測量表面粗糙度，具有系統(tǒng)簡單、調(diào)節(jié)容易的優(yōu)點。在先技術(shù)中有一種采用臨界角法測量表面粗糙度的測試儀(參見“High precision optical surface sensor”Tsuguo Kohno，Norimitsu Ozawa，Kozo Miyamoto，and Tohru Musha APPLIED OPTICS.27(1)，103(1988).)該儀器可以較好地測量物體表面粗糙度，但它存在的缺點是，它由于直接采用離焦誤差檢測方法，測量范圍由聚焦誤差曲線的線性區(qū)決定，測量范圍小(～3um)。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型要解決的技術(shù)問題在于克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種表面粗糙度非接觸測量裝置，以大幅度提高測量范圍，避免光源不均勻，消去了信號的畸變分量。
本實用新型的基本構(gòu)思是本實用新型表面粗糙度非接觸測量裝置引入聚焦伺服系統(tǒng)，系統(tǒng)在進(jìn)行掃描測量過程中，被測表面上的微觀起伏，透過物鏡的會聚光束不能準(zhǔn)確地會聚在被測表面上，由臨界角法探測到聚焦誤差信號，光電探測器輸出的信號被反饋，用來控制聚焦物鏡沿光軸移動，從而使聚焦光點始終聚焦在被測表面上，聚焦物鏡的移動量反映了被測表面的高度變化，其垂直分辨力取決于聚焦伺服精度。為了避免光源不均勻，及被測表面的傾角對測量的影響，采用雙光路，利用差動技術(shù)消去信號的畸變分量。
本實用新型的技術(shù)解決方案如下一種表面粗糙度非接觸測量裝置，由聚焦誤差探測和控制驅(qū)動兩部分組成所述的聚焦誤差探測部分包括激光器，在沿該激光器的激光輸出方向的第一光軸上依次是準(zhǔn)直鏡和偏振分光棱鏡，該偏振分光棱鏡的中心位于第一光軸上且其入射面與第一光軸垂直，通過該偏振分光棱鏡的中心且垂直于第一光軸的是第二光軸，在該第二光軸上，同光軸地依次是第二臨界角棱鏡、半透半反鏡、偏振分光棱鏡、四分之一波片、聚焦伺服執(zhí)行器、會聚透鏡和供被測物體表面承載的二維工作臺，所述的第二臨界角棱鏡的中心和半透半反鏡的中心位于第二光軸上，過所述的第二臨界角棱鏡的中心與第二光軸的垂直線上設(shè)有第二二象限光電探測器，其中心位于所述的垂直線上，過所述的半透半反鏡的中心并與第二光軸的垂直線上，是第一臨界角棱鏡，過該第一臨界角棱鏡的中心且平行于第二光軸的平行線上設(shè)有第一二象限光電探測器，其中心位于所述的平行線上，所述的第一二象限光電探測器和第二二象限光電探測器的各象限均與一信號處理器的輸入端相接；所述的控制驅(qū)動部分由依次連接的信號處理器、集成控制器、聚焦伺服執(zhí)行器的驅(qū)動器、聚焦伺服執(zhí)行器和計算機(jī)組成，所述的會聚透鏡位于聚焦伺服執(zhí)行器上，該聚焦伺服執(zhí)行器在所述的聚焦伺服執(zhí)行器的驅(qū)動器的驅(qū)動下帶動會聚透鏡隨被測物體表面的面形而變化，該聚焦伺服執(zhí)行器的位置傳感器的輸出端與計算機(jī)相連。
所述的集成控制器由A/D轉(zhuǎn)換卡、數(shù)字信號處理器、D/A轉(zhuǎn)換卡組成。
所述的聚焦伺服執(zhí)行器為納米平臺，或音圈電機(jī)。
本實用新型表面粗糙度非接觸測量裝置的工作過程如下激光器的出射的線偏振光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡后，變?yōu)槠叫泄馐?，入射至偏振分光棱鏡上，被偏振分光棱鏡的分光面反射至四分之一波片，經(jīng)偏振分光棱鏡產(chǎn)生的偏振光經(jīng)四分之一波片后轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光，再經(jīng)過會聚透鏡，即物鏡后會聚在其焦點處。會聚光束被被測表面反射，依次經(jīng)過會聚透鏡，四分之一波片，反射回來的圓偏振光束再次經(jīng)過四分之一波片后變?yōu)榫€偏振光，且其偏振方向與第一次透過四分之一波片前的入射線偏振光的偏振方向垂直。此反射回的線偏振光再次入射到偏振分光棱鏡上時，透過該偏振分光棱鏡入射至半透半反鏡。入射到半透半反鏡上的光束中，50％透過半透半反鏡入射到第二臨界角棱鏡上，其中入射角大于臨界角棱鏡的全反射臨界角的部分光束被全反射至第二二象限探測器上；另外50％被半透半反鏡反射到第一臨界角棱鏡上，其中入射角大于第一臨界角棱鏡的全反射臨界角的部分光束被全反射至第一二象限探測器上。第一二象限探測器和第一二象限探測器把接收到的光信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出送入信號處理器。
開始測試前，通過手動將被測表面移動到聚焦伺服執(zhí)行器的伺服范圍之內(nèi)，測試時，由二維工作臺帶動被測物體的表面在垂直于會聚透鏡的第二光軸的表面上平移，由于被測表面的微觀起伏，會聚透鏡不能始終正確聚焦在被測物體表面上，該被測表面反射回來的光束不再是平行光，這樣，射入第一二象限探測器和第二二象限探測器的光強(qiáng)大小和分布將隨被測表面的位置而變化。
信號處理器將由第一二象限光電探測器和第二二象限光電探測器輸入的電流信號進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換、前置放大后輸出至集成控制器，由A/D轉(zhuǎn)換卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后送入數(shù)字信號處理器進(jìn)行加減和歸一化運算，得到聚焦誤差信號，并對其應(yīng)用PID控制算法進(jìn)行校正后得到聚焦伺服信號，數(shù)字信號處理器輸出的聚焦伺服信號再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換卡進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換后輸出。集成控制器的輸出信號輸出至聚焦伺服執(zhí)行器的驅(qū)動器，對輸入的電壓進(jìn)行放大后輸出驅(qū)動聚焦伺服執(zhí)行器，該聚焦伺服執(zhí)行器帶動會聚透鏡跟隨被測表面面形的變化而變化。當(dāng)然，該聚焦伺服執(zhí)行器的移動量就反映了被測表面面形的變化，聚焦伺服執(zhí)行器上的位置傳感器可測出聚焦伺服執(zhí)行器的位移變化，輸出至計算機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可以得到表面粗糙度的各種評定參數(shù)，并可以進(jìn)行存儲、顯示。
與在先技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點由于采用動態(tài)離焦誤差檢測方法，測量范圍由聚焦伺服執(zhí)行器的驅(qū)動器的行程決定，測量范圍大，可達(dá)500um。


圖1為本實用新型的實施例的光路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明。
先請參閱圖1，圖1為本實用新型的實施例1的光路結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本實用新型表面粗糙度非接觸測量裝置，由聚焦誤差探測和控制驅(qū)動兩部分組成所述的聚焦誤差探測部分包括激光器1，沿該激光器1的激光輸出方向的第一光軸01上依次是準(zhǔn)直鏡2和偏振分光棱鏡3，該偏振分光棱鏡3的中心31位于第一光軸01上且其入射面與第一光軸01垂直，通過該偏振分光棱鏡3的中心31并垂直于第一光軸01的是第二光軸02，在該第二光軸02上，同光軸地依次是第二臨界角棱鏡72、半透半反鏡6、偏振分光棱鏡3、四分之一波片4、納米平臺12、會聚透鏡5和供被測物體表面13承載的二維工作臺14，所述的第二臨界角棱鏡72的中心721、半透半反鏡6的中心61位于第二光軸02上，過所述的第二臨界角棱鏡72的中心721與第二光軸02的垂直線上設(shè)有第二二象限光電探測器82，其中心821位于所述的垂直線上，過所述的半透半反鏡6的中心61并與第二光軸02的垂直線上，是第一臨界角棱鏡71，過該第一臨界角棱鏡71的中心711且平行于第二光軸02的平行線上設(shè)有第一二象限光電探測器81，其中心811位于所述的平行線上，所述的第一二象限光電探測器81和第二二象限光電探測器82的各象限均與一信號處理器9的輸入端相接；所述的控制驅(qū)動部分由依次連接的信號處理器9、集成控制器10、聚焦伺服執(zhí)行器的驅(qū)動器11、納米平臺12和計算機(jī)15組成，所述的會聚透鏡5位于納米平臺12上，該納米平臺12在所述的聚焦伺服執(zhí)行器的驅(qū)動器11的驅(qū)動下帶動會聚透鏡5隨被測物體表面13的面形的起伏而變化，該納米平臺12的位置傳感器的輸出端與計算機(jī)15相連。所述的集成控制器10由A/D轉(zhuǎn)換卡101、數(shù)字信號處理器102、D/A轉(zhuǎn)換卡103組成。
本實施例的工作過程是開始測試前，通過手動將被測物體表面13放在二維工作臺14上并移動到納米平臺12的伺服范圍之內(nèi)，測試時，由二維工作臺14帶動被測物體的表面13在垂直于會聚透鏡5的第二光軸02的平面上平移，由于被測表面的微觀起伏，會聚透鏡5的焦點不能始終正確處于所述被測物體表面13上，該被測物體表面13反射回來的光束將不再是平行光，這樣，射入第一二象限探測器81和第二二象限探測器82的光強(qiáng)大小和分布將隨被測表面的位置而變化，并輸出相應(yīng)的電流信號。
激光器1的出射的線偏振光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡2后，變?yōu)槠叫泄馐?，入射至偏振分光棱鏡3上，被偏振分光棱鏡3的分光面反射至四分之一波片4，經(jīng)偏振分光棱鏡3產(chǎn)生的偏振光經(jīng)四分之一波片4后轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光，再經(jīng)過會聚透鏡5，即物鏡后會聚在其焦點處。會聚光束被被測表面13反射，依次經(jīng)過會聚透鏡5，四分之一波片4，反射回來的圓偏振光束再次經(jīng)過四分之一波片4后變?yōu)榫€偏振光，且其偏振方向與第一次透過四分之一波片4前的入射線偏振光的偏振方向垂直。此反射回的線偏振光再次入射到偏振分光棱鏡3上時，透過該偏振分光棱鏡3入射至半透半反鏡6。入射到半透半反鏡6上的光束中，50％透過半透半反鏡6入射到第二臨界角棱鏡上72，其中入射角大于臨界角棱鏡72的全反射臨界角的部分光束被全反射至第二二象限探測器82上；另外50％被半透半反鏡6反射到第一臨界角棱鏡71上，其中入射角大于第一臨界角棱鏡71的全反射臨界角的部分光束被全反射至第一二象限探測器81上。第一二象限探測器71和第二二象限探測器82把接收到的光信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出送入信號處理器9。
第一二象限光電探測器81和第二二象限光電探測器82輸出的電流信號由信號處理器9經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換、前置放大后，輸出至集成控制器10，由其A/D轉(zhuǎn)換卡101進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號后，送入數(shù)字信號處理器102進(jìn)行加減和歸一化運算，得到聚焦誤差信號，并對其應(yīng)用PID控制算法進(jìn)行校正后得到聚焦伺服信號，該聚焦伺服信號再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換卡103進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換后輸出。集成控制器10的輸出信號輸出至聚焦伺服執(zhí)行器的驅(qū)動器11，簡稱PZT驅(qū)動器，對輸入的電壓進(jìn)行放大后驅(qū)動納米平臺12，該納米平臺12被驅(qū)動后，帶動會聚透鏡5跟隨被測物體表面13面形的變化而變化。當(dāng)被測物體在二維工作臺14上被該二維工作臺14驅(qū)動掃描時，該納米平臺12的移動量就反映了被測物體表面13的面形的變化，納米平臺12上的位置傳感器(圖中未示)將納米平臺12的位移變化輸出至計算機(jī)15，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可以得到被測物體表面13表面粗糙度的各種評定參數(shù)，并可以進(jìn)行存儲、顯示。
權(quán)利要求1.一種表面粗糙度非接觸測量裝置，特征在于其由聚焦誤差探測和控制驅(qū)動兩組成所述的聚焦誤差探測部分包括激光器(1)，沿該激光器(1)的激光輸出方向的第一光軸(01)上依次是準(zhǔn)直鏡(2)和偏振分光棱鏡(3)，該偏振分光棱鏡(3)的中心(31)位于第一光軸(01)上且其入射面與第一光軸(01)垂直，通過該偏振分光棱鏡(3)的中心(31)并垂直于第一光軸(01)的是第二光軸(02)，在該第二光軸(02)上，同光軸地依次是第二臨界角棱鏡(72)、半透半反鏡(6)、偏振分光棱鏡(3)、四分之一波片(4)、聚焦伺服執(zhí)行器(12)、會聚透鏡(5)和供被測物體表面(13)承載的二維工作臺(14)，所述的第二臨界角棱鏡(72)的中心(721)、半透半反鏡(6)的中心(61)位于第二光軸(02)上，過所述的第二臨界角棱鏡(72)的中心(721)與第二光軸(02)的垂直線上設(shè)有第二二象限光電探測器(82)，其中心(821)位于所述的垂直線上，過所述的半透半反鏡(6)的中心(61)并與第二光軸(02)的垂直線上，是第一臨界角棱鏡(71)，過該第一臨界角棱鏡(71)的中心(711)且平行于第二光軸(02)的平行線上設(shè)有第一二象限光電探測器(81)，其中心(811)位于所述的平行線上，所述的第一二象限光電探測器(81)和第二二象限光電探測器(82)的各象限均與一信號處理器(9)的輸入端相接；所述的控制驅(qū)動部分由依次連接的信號處理器(9)、集成控制器(10)、聚焦伺服執(zhí)行器的驅(qū)動器(11)、聚焦伺服執(zhí)行器(12)和計算機(jī)(15)組成，所述的會聚透鏡(5)位于聚焦伺服執(zhí)行器(12)上，該聚焦伺服執(zhí)行器(12)在所述的聚焦伺服執(zhí)行器的驅(qū)動器(11)的驅(qū)動下帶動會聚透鏡(5)隨被測物體表面(13)的面形而變化，該聚焦伺服執(zhí)行器(12)的位置傳感器的輸出端與計算機(jī)(15)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面粗糙度非接觸測量裝置，其特征在于所述的集成控制器(10)由A/D轉(zhuǎn)換卡(101)、數(shù)字信號處理器(102)、D/A轉(zhuǎn)換卡(103)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面粗糙度非接觸測量裝置，其特征在于所述的聚焦伺服執(zhí)行器(12)為納米平臺或音圈電機(jī)。
專利摘要一種表面粗糙度非接觸測量裝置，它由聚焦誤差探測和控制驅(qū)動兩部分組成。采用動態(tài)離焦誤差檢測方法，引入聚焦伺服系統(tǒng)，由臨界角法探測到聚焦誤差信號，用來控制聚焦物鏡的移動，使聚焦光點始終聚焦在被測表面上，聚焦物鏡的移動量反映了被測表面的高度變化。為了避免光源不均勻，及被測表面的傾角對測量的影響，采用雙光路和差動技術(shù)，本實用新型大幅度提高了測量范圍，可避免光源不均勻，消去了信號的畸變分量。
文檔編號G01B11/30GK2814333SQ200520044169
公開日2006年9月6日 申請日期2005年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月9日
發(fā)明者朱青, 徐文東, 高秀敏, 張鋒, 楊金濤, 戴珂 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所