[发明专利]一种基于激光束衍射光斑特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量装置

说明书

技术领域

本发明属于非接触光学精密测量技术领域，涉及一种通过测量超精密车削加工表面的激光束衍射光斑的衍射角度和强度进而实现对工件表面三维微观形貌特征测量的装置。

背景技术

随着超精密加工技术的不断发展以及对于精密光学模具、微光学系统、国防尖端技术产品的日益需求，零部件的表面质量越来越受到人们的关注，它对零部件的使用性能和可靠性有直接影响。如在背光模组中所使用的微棱镜阵列，要求表面粗糙度要Ra＜10nm，如果表面质量不好，光源会在微棱镜阵列表面发生衍射和散射现象，降低了光源利用效率，影响整个液晶面板的光强分布。

为了评价表面质量，就要对表面微观形貌进行精确测量。表面微观形貌的测量，对改进加工工艺、控制加工过程和预防表面缺陷的产生，具有重要研究意义。现有的表面微观形貌的测量方法主要包括接触式测量和非接触式测量方法。接触式测量方法主要利用的仪器有表面粗糙度轮廓仪、扫描隧道显微镜(STM)、原子力扫描显微镜(AFM)等，接触式测量的特点是测头要与工件表面相接触，因此可能会划伤工件；此外，这类测量方法需要逐点扫描，测量速度较慢。非接触式测量方法主要有光散射法、光触针法、干涉条纹法和散斑法等，这类方法测量范围比较小，对于评价整个待测表面而言，具有不可靠性。常用的测量仪器有白光干涉仪，它对测量环境要求严格，包括环境温度和振动特性等，无法在加工现场使用。

发明内容

为了解决超精密车削加工表面微观形貌高精度、高效率的测量与评价问题，本发明提供了一种基于激光束衍射光斑特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量装置，该测量装置利用平面反射光栅的理论，对激光束在工件表面发生的衍射现象进行了定量分析。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于激光束衍射光斑特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量装置，包括半导体激光器、线性衰减片、小孔光阑、被测工件、回转工作台、透镜、CCD相机、铝合金面包板、激光器电源、笔记本电脑，半导体激光器、线性衰减片、小孔光阑、回转工作台、透镜、CCD相机安装在铝合金面包板上，被测工件安装在回转工作台，半导体激光器输出的激光束通过线性衰减片后经过小孔光阑，小孔光阑对激光束进行滤波，被调制的激光束作为入射光照射到被测工件表面，激光束在被测工件表面发生衍射现象，产生衍射光斑，衍射光斑按照不同级次分布开，透镜将激光束各级衍射光斑调整为平行光束，利用CCD相机对激光束各级衍射光斑测量并将测量结果传输到笔记本电脑中，通过图像采集软件对衍射光斑图像进行采集。

本发明与现有的测量超精密车削加工表面三维微观形貌的装置相比，具有如下优势：

(1)本发明所述的测量装置是利用了平面反射光栅的理论，通过对激光束各级衍射光斑的衍射角和强度进行分析，实现对表面微观形貌的横向周期信息和纵向高度信息的测量；

(2)该装置对工件表面进行非接触式测量，不会对工件表面造成破坏，可测量的工件材料种类多，包括有色金属材料和非金属材料等；

(3)将波长为650nm的半导体激光束作为光源，它具有单色性好、相干性好、准直性好的特点，有效地保证了测量精度；

(4)本发明所述的测量装置，光路系统调整方便，对测量环境要求不严格，具有一定的便携性，可以在加工现场使用。

附图说明

图1为本发明的测量装置整体结构示意图；

图2为激光束衍射光斑的分布情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，本发明提供的基于激光束衍射光斑特性的超精密车削加工表面三维微观形貌测量装置由旋转升降杆1、半导体激光器2、线性衰减片3、精密手动二维位移台4、小孔光阑5、被测工件6、回转工作台7、透镜8、CCD相机9、铝合金面包板10、激光器电源11、笔记本电脑12组成。

如图2所示，波长为650nm激光束作为入射光，由于被测工件6经超精密车削加工后，表面有刀具切削后残留的纹理结构，这些纹理结构相当于平面反射光栅，激光束在被测工件6表面会发生衍射现象，产生衍射光斑，其中，0级衍射光斑13-3在激光束的几何反射方向上，然后它的两侧分别是±1、±2及其它高级次衍射光斑，级次越高，越远离0级衍射光斑。

该测量装置的操作过程为：