[发明专利]一种白光干涉及激光扫描结合的形貌测量装置

说明书

本发明公开一种白光干涉及激光扫描结合的形貌测量装置，包括三维运动平台和置于其上的白光‑激光测量系统，测量系统包括白光光源（1）、三个分光棱镜、显微目镜（5）、显微物镜（6）、干涉物镜（7）、四象限光电传感器（8）、激光器（9）和图像传感器（10），具有两条测量光路和激光测量光路；激光测量光路为：由激光器（9）出发经第三分光棱镜（4）转折，通过显微物镜（6）聚焦至被测表面（11），经被测表面（11）反射后，分别经过显微物镜（6）、第三分光棱镜（4）和第二分光棱镜（3），投射至四象限光电传感器（8）用于被测表面（11）高度信息的测量；激光器（9经被测表面11反射回来的光通过第二分光棱镜（3）转折，通过第一分光棱镜（2）和显微目镜（5）后，和由白光光源（1）形成的照明背景光一起被成像至图像传感器（10），形成激光测量时的采集图。

技术领域

本发明涉及一种形貌测量装置，特别是针对超精密加工的机械零件、光学元器件制造过程中的加工表面质量与形貌检测。

背景技术

表面形貌是指物体和周围介质的分界面呈现出的几何形态，由表面的基本形状和波纹度、纹理、表面粗糙度等表面缺陷参数共同构成了物体表面原始形貌的特征。由机械加工、表面处理等工艺形成的表面形貌直接影响其功能和使用性能。随着国防工业、航空航天及机械制造等领域的飞速发展，超精密加工零件的需求也日益提高，产品表面形貌与结构也越来越复杂，因此，对超精密加工的机械零件、光学元件等表面形貌检测技术至关重要。

表面形貌测量方法多种多样，为了适应复杂表面形貌测量需求，主要测量手段仍为逐点扫描测量方式，最常见轮廓仪能够满足超精密高效加工的需求。同时，有些使用整场扫描方式实现表面形貌快速测量光学表面的方法，如激光面干涉法、反射光栅法等。但以上方法的测量数据采样率相对偏低，仅能获取表面形貌的基本形状(表面形貌的低频信息)。而接触式轮廓仪仅适合采集表面某轮廓线上的粗糙度信息(表面形貌的高频信息)。然而，表面形貌的纹理或波纹度等表面细节信息(表面形貌的中频信息)对使用性能影响非常大。目前，适合进行表面细节分析的白光干涉方法比较局限于局部测量，其主要原理是利用白光的低相干特性，将物体表面形貌信息反映到干涉信号上，且通过对干涉图像的分析得出恢复待测样品表面的三维形貌，测量分辨率可达到纳米级。因此，需要更深入开展大范围全频段表面形貌(高、中、低频形貌信息)测量方法的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以实现表面大范围全频段表面形貌测量的装置。本发明利用一套测量装置中，既可以加工中的原位测量，还可以独立进行离线测量。技术方案如下：

一种白光干涉及激光扫描结合的形貌测量装置，包括三维运动平台和置于其上的白光-激光测量系统，白光-激光测量系统包括白光光源1、三个分光棱镜、显微目镜5、显微物镜6、干涉物镜7、四象限光电传感器8、激光器9和图像传感器10，具有两条测量光路和激光测量光路，其中，

白光干涉测量光路为：由白光光源1发出光束平行投射到第一分光棱镜2后分成两束，第一束光被第一分光棱镜2转折90°经过干涉物镜7投射到被测表面11，反射的光经干涉物镜7和第一分光棱镜2回到显微目镜5，第一束光和其反射的光在显微目镜5视场中发生干涉，图像传感器10获取干涉条纹以获得待测区域的表面形貌信息；第二束光穿过第一分光棱镜2，依次经过第二分光棱镜3、第三分光棱镜4和显微物镜6，汇聚于被测表面11，经被测表面11反射后分别经过显微物镜6、第三分光棱镜4、第二分光棱镜3、第一分光棱镜2和显微目镜5，成像到图像传感器10，负责为激光测量光路提供照明背景光；

激光测量光路为：由激光器9出发经第三分光棱镜4转折，通过显微物镜6聚焦至被测表面11，经被测表面11反射后，分别经过显微物镜6、第三分光棱镜4和第二分光棱镜3，投射至四象限光电传感器8用于被测表面11高度信息的测量；激光器9经被测表面11反射回来的光通过第二分光棱镜3转折，通过第一分光棱镜2和显微目镜5后，和由白光光源1形成的照明背景光一起被成像至图像传感器10，形成激光测量时的采集图。