[发明专利]基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的装置与方法

说明书

本发明提出一种基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的装置与方法，采用圆锥透镜产生无衍射光束，再用放于圆筒内的分束镜将光线反射到被测工件内壁。工件内壁的反射光线与反射镜的反射光线形成的光程差进而产生干涉现象，再通过信号处理系统进行数据的采集和处理。由于圆筒内壁表面形貌不可能绝对光滑，存在凹凸不平的起伏，这使光程差发生变化，导致干涉图样发生弯曲变形，则可通过弯曲量计算得到该处表面形貌的起伏程度，进而表征圆筒内壁表面的光整程度。本发明无需旋转工件，只需将工件轴向进给即可得到整个工件内壁的表面形貌，具有操作简单、误差小、效率高等优点。

技术领域

本发明属于表面形貌测量领域，具体涉及基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的装置与方法，利用激光干涉测量表面形貌的装置，用于对圆筒形件内壁表面形貌的测量。

背景技术

干涉测量即利用两路光波组合到一起时，相互叠加和抵消的结果在屏幕上出现明暗相间条纹的现象。如果被测工件内壁形貌改变，反射回的光路就改变，从而改变了两路光波相互之间的相位关系，光波的干涉条纹也会引起变化。利用这个原理，就可以由这个变化测出表面形貌的偏移程度。

目前的圆桶形工件内壁形貌测量装置大多以旋转工件并沿轴向移动，依次扫描整个圆腔内壁表面的方法。但由于工件需要旋转，存在机械振动、圆度误差等问题，对于测量的精度有较大影响。同时，对于较长的工件逐次扫描存在工作量大，测量时间长等局限。

发明内容

针对以上实际需求以及目前对于圆筒形件内壁表面形貌测量方法的技术问题和不足，本发明提出一种基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的装置与方法，采用圆锥透镜产生无衍射光束，再用放于圆筒内的分束镜将光线反射到被测工件内壁。工件内壁的反射光线与反射镜的反射光线形成的光程差进而产生干涉现象，再通过信号处理系统进行数据的采集和处理。由于圆筒内壁表面形貌不可能绝对光滑，存在凹凸不平的起伏，这使光程差发生变化，导致干涉图样发生弯曲变形，则可通过弯曲量计算得到该处表面形貌的起伏程度，进而表征圆筒内壁表面的光整程度。

具体的技术方案为：

基于无衍射光束测量圆筒形件内壁表面形貌的装置，主要包括无衍射光束生成模块、分束光路模块、干涉光产生模块、光电探测与数据处理模块；

所述的无衍射光束生成模块包括激光器、准直扩束器、圆锥透镜；准直扩束器、圆锥透镜依次安装在激光器的光路上；激光器发出波长为λ的单波长激光，由准直扩束器准直扩束，再经圆锥透镜产生无衍射光束；

所述的分束光路模块包括分束镜，分束镜位于圆锥透镜的光路上，分束镜将圆锥透镜射出的光路分成两束光路，均射到干涉光产生模块；

所述的干涉光产生模块包括反射镜、圆锥反射镜、被测工件；分束镜的第一束光路为反射光路，第一束光路上设有圆锥反射透镜，被测工件设在圆锥反射透镜的反射光路上，被测工件与圆锥反射透镜同轴安装；被测工件漫反射光线沿原路返回，依次经过圆锥反射透镜、分束镜；分束镜分出的第二束光路为透射光路，第二束光路上设有反射镜，反射镜反射回的光路经过分束镜再反射后的光路上设有光电探测与数据处理模块；

所述的光电探测与数据处理模块包括光电探测器、信号处理系统；光电探测器位于分束镜反射和透射的光路上；光电探测器接收干涉图样信息，信号处理系统将干涉信号转换为电信号，并经滤波、放大和隔直之后输出，供进一步采集、分析和显示。

进一步的，激光器发出的光路为水平；分束镜与反射镜的夹角为45°，分束镜平面的法向与圆锥反射透镜的轴线夹角为45°。

优选的，还设有用于被测工件与圆锥反射透镜同轴设置的校准装置。

具体的，所述的校准装置，包括CCD图像传感器，所述的圆锥反射镜为圆台形状结构，圆锥反射镜的顶面为光线射入面，CCD图像传感器设在圆锥反射镜底面射出光路上。