[发明专利]一种用于三维面形测量的干涉式光学探头

说明书

本发明公开了一种用于三维面形测量的干涉式光学探头，属于光学检测技术领域，具体涉及一种非接触式光学探头，解决使用现有非接触探头测量时需将被测点法线方向对准探头从而导致定位精度降低的问题；在泰曼—格林干涉光路基础上引入球壳透镜成功搭建出干涉式光学探头，测量时，通过调整光学探头聚焦在被测件上某一点，测量光束被球壳透镜内表面反射回到光学系统中，测量光束经分束器反射进入CCD图像传感器上与参考光束形成干涉条纹，由位置计量装置记录此时运动机构的位置信息；调整运动机构依次记录聚焦透镜的像方焦点聚焦在被测件上其他点的位置信息，通过数据处理可以获得被测件的面形形貌；简化了运动机构，减小了机械定位误差，可测量高陡度元件。

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种非接触式光学探头。

背景技术

三维面形测量最常用的方法是三坐标测量。三坐标测量技术具有通用性强、自动化程度高、测量精度高等众多优点，在机械、电子等领域得到广泛应用。目前，根据三坐标测量机测头的形式，可将三坐标测量机分为接触式三坐标测量机和非接触式三坐标测量机。非接触式三坐标测量机目前主要有激光点测量和线激光扫描测量两种形式。对于接触式三坐标测量机和非接触式激光点测量三坐标测量机而言，测量过程需要频繁的加速、减速，造成了测量速度较慢，此外由于测头直接与被测件表面接触容易划伤被测件。非接触式的线激光扫描测量在测量时加减速过程较少，可以大幅度的提高测量速度，但是由于线激光测量头的自身误差大于3μm，测时需要调整被测点法线方向对准激光测头，运动机构复杂，使得其测量精度大幅度下降，因此测定的精度并不高。

发明内容

本发明的解决的技术问题是：解决现使用现有非接触探头测量时需将被测点法线方向对准探头从而导致定位精度降低的问题。

一种用于三维面形测量的干涉式光学探头，该光学探头由干涉光路组成，所述干涉光路包括光源、准直透镜、分束器、成像透镜、聚焦透镜、平面反射镜、球壳透镜、CCD图像传感器；以光源所在一侧为物方，所述光源发出的光被准直透镜准直后入射到分束器上，经分束器反射的光作为参考光束，参考光被垂直放置的平面反射镜反射后原路返回，再次通过分束器被成像透镜聚焦于CCD图像传感器上；

透射过分束器的光作为测量光束，测量光束经过聚焦透镜后聚焦于聚焦透镜的像方焦点处；所述的球壳透镜内表面设置有半透半反膜，且球壳透镜放置在聚焦透镜与聚焦透镜的像方焦点之间，球壳透镜的球心与聚焦透镜的像方焦点重合。

基于上述技术方案，本发明还提供一种非接触式三维面形测量方法，包括如下步骤：

1).搭建上述干涉式光学探头的步骤；

2).搭建运动机构的步骤：所述运动机构用于调整被测件与光学探头之间相对位置，使聚焦透镜的像方焦点聚焦于被测件表面任意测量点，且该运动机构上设置有位置计量装置，用于记录位置变化量；该运动机构可由两个平移机构和一个旋转机构组成；该运动机构也可以由三个平移机构组成；

3).扫描测量步骤：测量时，通过调整运动机构使聚焦透镜的像方焦点聚焦在被测件上某一点，测量光束被球壳透镜内表面反射回到光学系统中，测量光束经分束器反射进入CCD图像传感器上与参考光束形成干涉条纹，由位置计量装置记录此时运动机构的位置信息；调整运动机构依次记录聚焦透镜的像方焦点聚焦在被测件上其他点的位置信息，通过数据处理可以获得被测件的面形形貌。

测量工件时，在运动机构的驱动下，光学探头上聚焦透镜的像方焦点轨迹沿着理想光学元件曲线运动，通过竖直方向(Z轴)的平动轴上下扫描，若焦点位置偏离被测点，将Z轴向上或向下移动，直至干涉条纹为理想的零级条纹，由位置计量装置记录此测量点的位置信息，依次在被测面上进行面形扫描，然后面形拟合，通过拟合后的面形与工件面形的比较，分析确定其面形误差。