一種基于激光束衍射光斑特性的超精密車削加工表面三維微觀形貌測量裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于非接觸光學精密測量技術領域，涉及一種通過測量超精密車削加工表 面的激光束衍射光斑的衍射角度和強度進而實現對工件表面三維微觀形貌特征測量的裝 置。
【背景技術】
[0002] 隨著超精密加工技術的不斷發展以及對于精密光學模具、微光學系統、國防尖 端技術產品的日益需求，零部件的表面質量越來越受到人們的關注，它對零部件的使用 性能和可靠性有直接影響。如在背光模組中所使用的微棱鏡陣列，要求表面粗糙度要Ra < 10nm，如果表面質量不好，光源會在微棱鏡陣列表面發生衍射和散射現象，降低了光源利 用效率，影響整個液晶面板的光強分布。
[0003] 為了評價表面質量，就要對表面微觀形貌進行精確測量。表面微觀形貌的測量，對 改進加工工藝、控制加工過程和預防表面缺陷的產生，具有重要研究意義。現有的表面微觀 形貌的測量方法主要包括接觸式測量和非接觸式測量方法。接觸式測量方法主要利用的儀 器有表面粗糙度輪廓儀、掃描隧道顯微鏡（STM)、原子力掃描顯微鏡（AFM)等，接觸式測量 的特點是測頭要與工件表面相接觸，因此可能會劃傷工件；此外，這類測量方法需要逐點掃 描，測量速度較慢。非接觸式測量方法主要有光散射法、光觸針法、干涉條紋法和散斑法等， 這類方法測量范圍比較小，對于評價整個待測表面而言，具有不可靠性。常用的測量儀器有 白光干涉儀，它對測量環境要求嚴格，包括環境溫度和振動特性等，無法在加工現場使用。
【發明內容】
[0004] 為了解決超精密車削加工表面微觀形貌高精度、高效率的測量與評價問題，本發 明提供了一種基于激光束衍射光斑特性的超精密車削加工表面三維微觀形貌測量裝置， 該測量裝置利用平面反射光柵的理論，對激光束在工件表面發生的衍射現象進行了定量分 析。
[0005] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
[0006] -種基于激光束衍射光斑特性的超精密車削加工表面三維微觀形貌測量裝置，包 括半導體激光器、線性衰減片、小孔光闌、被測工件、回轉工作臺、透鏡、CCD相機、鋁合金面 包板、激光器電源、筆記本電腦，半導體激光器、線性衰減片、小孔光闌、回轉工作臺、透鏡、 CCD相機安裝在鋁合金面包板上，被測工件安裝在回轉工作臺，半導體激光器輸出的激光束 通過線性衰減片后經過小孔光闌，小孔光闌對激光束進行濾波，被調制的激光束作為入射 光照射到被測工件表面，激光束在被測工件表面發生衍射現象，產生衍射光斑，衍射光斑按 照不同級次分布開，透鏡將激光束各級衍射光斑調整為平行光束，利用CXD相機對激光束 各級衍射光斑測量并將測量結果傳輸到筆記本電腦中，通過圖像采集軟件對衍射光斑圖像 進行米集。
[0007] 本發明與現有的測量超精密車削加工表面三維微觀形貌的裝置相比，具有如下優 勢：
[0008] (1)本發明所述的測量裝置是利用了平面反射光柵的理論，通過對激光束各級衍 射光斑的衍射角和強度進行分析，實現對表面微觀形貌的橫向周期信息和縱向高度信息的 測量；
[0009] (2)該裝置對工件表面進行非接觸式測量，不會對工件表面造成破壞，可測量的工 件材料種類多，包括有色金屬材料和非金屬材料等；
[0010] (3)將波長為650nm的半導體激光束作為光源，它具有單色性好、相干性好、準直 性好的特點，有效地保證了測量精度；
[0011] (4)本發明所述的測量裝置，光路系統調整方便，對測量環境要求不嚴格，具有一 定的便攜性，可以在加工現場使用。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發明的測量裝置整體結構示意圖；
[0013] 圖2為激光束衍射光斑的分布情況不意圖。
【具體實施方式】
[0014] 下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本 發明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋 在本發明的保護范圍中。
[0015] 如圖1所示，本發明提供的基于激光束衍射光斑特性的超精密車削加工表面三維 微觀形貌測量裝置由旋轉升降桿1、半導體激光器2、線性衰減片3、精密手動二維位移臺4、 小孔光闌5、被測工件6、回轉工作臺7、透鏡8、C⑶相機9、鋁合金面包板10、激光器電源11、 筆記本電腦12組成。
[0016] 如圖2所示，波長為650nm激光束作為入射光，由于被測工件6經超精密車削加工 后，表面有刀具切削后殘留的紋理結構，這些紋理結構相當于平面反射光柵，激光束在被測 工件6表面會發生衍射現象，產生衍射光斑，其中，0級衍射光斑13-3在激光束的幾何反射 方向上，然后它的兩側分別是± 1、±2及其它高級次衍射光斑，級次越高，越遠離0級衍射 光斑。
[0017] 該測量裝置的操作過程為：
[0018] (1)半導體激光器2、線性衰減片3、小孔光闌5、透鏡8、C⑶相機9分別安裝在精 密手動二維位移臺2上，通過旋轉升降桿1與精密手動二維位移臺4相聯接，精密手動二維 位移臺4安裝在鋁合金面包板10上，通過旋轉升降桿1和精密手動二維位移臺4對它們的 位置進行調整，包括激光束、線性衰減片3、小孔光闌5、CCD相機9的高度、方向、距離以及 透鏡8的焦距。半導體激光器2在測量之前先預熱半個小時。
[0019] (2)待光路調整好后，將被測工件6安裝在回轉工作臺7,將回轉工作臺7安裝 在鋁合金面包板10上，轉動回轉工作臺7調整激光束的入射角度，將入射角度調整為 30° -60°的范圍內，改變被測工件6的夾緊位置調整被測區域。
[0020] (3)透鏡8將激光束各級衍射光斑13調整為平行光束，調整CCD相機9的鏡頭，保 證衍射光斑的圖像清晰，通過安裝在筆記本電腦12中的軟件界面采集圖像。
[0021] (4)計算各級次激光束衍射光斑的衍射角度。由于級次越高，衍射光斑的強度越 小，測量越困難，因此只針對〇級、±1級和±2級衍射光斑進行計算分析。0級衍射光斑 13-3的衍射角為入射角α，通過CCD相機9采集的圖像計算出各級衍射光斑的衍射角度 為：
[0022] +1級衍射光斑13-2的衍射角為：爲=+1級衍射光斑13- 2與 〇級衍射光斑13-3的距離；
[0023] -1級衍射光斑13-4的衍射角為：A ? + arckm -z^，: L為-1級衍射光斑13-4 與〇級衍射光斑13-3的距離；
[0024] +2級衍射光斑13-1的衍射角為：爲= ? - 4 "2為+2級衍射光斑13-1與 〇級衍射光斑13-3的距離；
[0025] -2級衍射光斑13-5的衍射角為：武2 = 〃 + |_，L 2為-2級衍射光斑13-5 與〇級衍射光斑13-3的距離；
[0026] (5)將CCD相機9采集到的衍射光斑圖像，轉會為灰度值，得到各級衍射光斑的強 度分布情況。利用光柵方程ηλ =d(sina 土sinP)和矢量光學理論，計算出表面微觀形 貌的大小，其中η為光譜級次，λ為入射光波長，d為光柵常數，a為入射角，β為衍射角。 表面微觀形貌的橫向周期信息與光柵常數d相對應，縱向高度信息與各級光斑的能量大小 相對應。
[0027] 本測量裝置根據加工工藝和被測工件類型，選擇波長為650nm的半導體激光器作 為光源，選擇直徑為500 μ m小孔光闌。
【主權項】
1. 一種基于激光束衍射光斑特性的超精密車削加工表面三維微觀形貌測量裝置，其 特征在于所述測量裝置由半導體激光器、線性衰減片、小孔光闌、被測工件、回轉工作臺、透 鏡、C⑶相機、鋁合金面包板、激光器電源和筆記本電腦組成，半導體激光器、線性衰減片、小 孔光闌、回轉工作臺、透鏡、CCD相機安裝在鋁合金面包板上，被測工件安裝在回轉工作臺， 半導體激光器輸出的激光束通過線性衰減片后經過小孔光闌，小孔光闌對激光束進行濾 波，被調制的激光束作為入射光照射到被測工件表面，激光束在被測工件表面發生衍射現 象，產生衍射光斑，衍射光斑按照不同級次分布開，透鏡將激光束各級衍射光斑調整為平行 光束，利用CCD相機對激光束各級衍射光斑進行測量并將測量結果傳輸到筆記本電腦中對 衍射光斑圖像進行采集。2. 根據權利要求1所述的基于激光束衍射光斑特性的超精密車削加工表面三維微觀 形貌測量裝置，其特征在于所述激光束的波長為650nm。3. 根據權利要求1所述的基于激光束衍射光斑特性的超精密車削加工表面三維微觀 形貌測量裝置，其特征在于所述激光束在被測工件表面的入射角度為30° -60°。4. 根據權利要求1所述的基于激光束衍射光斑特性的超精密車削加工表面三維微觀 形貌測量裝置，其特征在于所述小孔光闌的直徑為500ym。5. 根據權利要求1所述的基于激光束衍射光斑特性的超精密車削加工表面三維微觀 形貌測量裝置，其特征在于所述半導體激光器、線性衰減片、小孔光闌、透鏡、CCD相機分別 安裝在精密手動二維位移臺上，通過旋轉升降桿與精密手動二維位移臺相聯接，精密手動 二維位移臺安裝在在鋁合金面包板上。6. 根據權利要求1所述的基于激光束衍射光斑特性的超精密車削加工表面三維微觀 形貌測量裝置，其特征在于所述衍射光斑以〇級、±1級和±2級衍射光斑作為被測對象。7. 根據權利要求6所述的基于激光束衍射光斑特性的超精密車削加工表面三維微觀 形貌測量裝置，其特征在于所述+1級衍射光斑的衍射角為：11^為+1級 衍射光斑與〇級衍射光斑的距離，a為〇級衍射光斑的衍射角。8. 根據權利要求6所述的基于激光束衍射光斑特性的超精密車削加工表面三維微觀 形貌測量裝置，其特征在于所述-1級衍射光斑的衍射角為，Li為-1級 衍射光斑與〇級衍射光斑的距離，a為〇級衍射光斑的衍射角。9. 根據權利要求6所述的基于激光束衍射光斑特性的超精密車削加工表面三維微觀 形貌測量裝置，其特征在于所述+2級衍射光斑的衍射角為.12為+2級 衍射光斑與〇級衍射光斑的距離，a為〇級衍射光斑的衍射角。10. 根據權利要求6所述的基于激光束衍射光斑特性的超精密車削加工表面三維微觀 形貌測量裝置，其特征在于所述-2級衍射光斑的衍射角為：^L2為-2 級衍射光斑與〇級衍射光斑的距離，a為0級衍射光斑的衍射角。
【專利摘要】一種基于激光束衍射光斑特性的超精密車削加工表面三維微觀形貌測量裝置，由半導體激光器、線性衰減片、小孔光闌、被測工件、回轉工作臺、透鏡、CCD相機、鋁合金面包板、激光器電源和筆記本電腦組成，半導體激光器輸出的激光束通過線性衰減片后經過小孔光闌，小孔光闌對激光束進行濾波，被調制的激光束作為入射光照射到被測工件表面，在被測工件表面發生衍射現象，產生衍射光斑，透鏡將激光束各級衍射光斑調整為平行光束，利用CCD相機對激光束各級衍射光斑進行測量并將測量結果傳輸到筆記本電腦中，通過圖像采集軟件對衍射光斑圖像進行采集。本裝置光路系統調整方便，對測量環境要求不嚴格，具有一定的便攜性。
【IPC分類】G01B11/24
【公開號】CN105091780
【申請號】CN201510255808
【發明人】王波, 吳東旭, 張鵬, 喬政, 王會茗
【申請人】哈爾濱工業大學
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年5月19日