[发明专利]一种自动激光聚焦形貌测量系统

说明书

本发明涉及一种自动激光聚焦形貌测量系统，用以对置于纳米三维位移机构上的测试工件的形貌进行测量，包括四象限探测器、柱面镜、非偏振分束立方体、衍射光栅、半导体激光二极管、压电陶瓷纳米位移器、显微物镜、纳米三维位移机构、信号调理电路、AD数据采集卡、工控机、压电陶瓷纳米位移器控制器和纳米三维位移台机构控制器；四象限探测器获取的聚焦误差信号输入到工控机；工控机通过分析聚焦误差信号利用压电陶瓷纳米位移器控制器控制压电陶瓷纳米位移器带动显微物镜在测试工件表面做垂直扫描，保证测试工件表面处于光路的聚焦位置，在连续测量过程中，获得测试工件的三维形貌。

所属技术领域

本发明属于表面形貌质量检测装置技术领域，涉及一种自动激光聚焦形貌测量系统。

背景技术

随着机械、电子及光学工业的飞速发展，表面形貌对各类零部件与器件乃至整机性能的重要影响已受到广泛的重视。目前，普遍使用的机械触针式轮廓仪的测量速度较慢，触针对软质表面会造成微小划痕，因而难以满足在线检测及对精密表面的测量。为此，已有多种测量原理的表面形貌非接触测量方法，如光切法，各种原理的光触针和干涉显微镜，扫描电子显微镜以及扫描隧道显微镜等。目前，基于各种测量原理的非接触式测量系统得到迅速的发展，但存在体积大、复杂、昂贵等这些难以克服的问题。

聚焦探测技术利用像面的共轭特性来检测表征形貌，能够实现对微小位移的非接触测量和焦点检测，可实现对表面形貌的非接触、无损测量，并且有助于提高测量精度和速度，基于各种光学原理的光学探针式轮廓仪在工程应用和科学研究方面的使用日益广泛。为了降低系统结构复杂度及成本，本发明提出一种基于压电陶瓷位移器的自动聚焦跟踪测量系统，该系统实现了表面形貌探测，同时结合高分辨率自动跟踪的模式，以期改进现有聚焦式测量系统中的技术问题。可实现对表面形貌的无损测量和评定，并且还有助于提高测量精度和测量速度。

发明内容

本发明的目的是提供一种满足表面形貌的高精度和连续探测需求的自动激光聚焦形貌测量系统，对传统的DVD激光读数头进行改造，配合高精度的压电陶瓷纳米位移器与显微物镜，实现聚焦误差信号识别和跟踪，由高精度位移实现连续跟踪自动面形测量。本发明可突破传统非接触测试系统的局限性，具有体积小、成本低、测量操作方便等特点。技术方案如下：

一种自动激光聚焦形貌测量系统，用以对置于纳米三维位移机构上的测试工件的形貌进行测量，包括四象限探测器、柱面镜、非偏振分束立方体、衍射光栅、半导体激光二极管、压电陶瓷纳米位移器、显微物镜、纳米三维位移机构、信号调理电路、AD数据采集卡、工控机、压电陶瓷纳米位移器控制器和纳米三维位移台机构控制器；由半导体激光二极管发出入射光束通过衍射光栅、分光棱镜、显微物镜投射到测试工件的被测表面，反射后经显微物镜、非偏振分束立方体、柱面镜照射在四象限探测器上；四象限探测器获取的聚焦误差信号通过信号调理电路、AD数据采集卡输入到工控机；工控机通过分析聚焦误差信号利用压电陶瓷纳米位移器控制器控制压电陶瓷纳米位移器带动显微物镜在测试工件表面做垂直扫描，保证测试工件表面处于光路的聚焦位置，即聚焦误差信号在线性范围内的纵向坐标为，工控机记录保存压电陶瓷纳米位移器的位置坐标；工控机控制纳米三维位移机构进行连续栅线扫描，工控机根据聚焦误差信号判断测试工件的表面处于离焦时，即聚焦误差信号在线性范围内的纵向坐标不为，工控机通过压电陶瓷纳米位移器控制器控制压电陶瓷纳米位移器带动显微物镜垂直扫描，重新使得测试工件的表面处于聚焦状态，在连续测量过程中，保存纳米三维位移结构的坐标和测试工件聚焦位置时的压电陶瓷纳米位移器的坐标，获得测试工件的三维形貌。