[发明专利]一种基于超结构色散共焦的复杂曲面形貌测量方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于超结构色散共焦的复杂曲面形貌测量方法及系统，宽谱激光光源发出的光线经传输光纤、耦合器和光纤准直器后变为平行光，再由微型色散共焦探头产生光谱色散，聚焦于被测表面的光线反射回光谱仪，通过微处理器解码光谱‑距离映射关系获得测量值，最后配合精密三维运动台和大量程平移台对复杂曲面形貌进行全域扫描。该方法将平面超结构与色散共焦技术相结合，提供一种能够代替传统色散共焦透镜组的微型色散共焦探头，具有可设计性强、结构小巧、轻薄、能同时实现轴向和径向色散等特点，可以完成对复杂曲面甚至异形结构表面形貌的超分辨测量。

技术领域

本发明涉及超精密制造与测量技术领域，尤其涉及一种基于超结构色散共焦的复杂曲面形貌测量方法及系统。

背景技术

随着精密制造技术的高速发展，在航空航天、轮船、汽车等高端制造领域对产品的形貌精度要求越来越高，超精密复杂曲面形貌测量技术也由此得以发展起来。色散共焦技术利用光学色散原理建立光波长和距离之间的映射关系实现距离测量，该方法具有独特的共焦轴向响应特性，测量精度高、对被测样品倾斜不敏感。

中国专利申请CN109373927A公开了一种彩色共焦三维形貌测量方法与系统，其采用复色光源和色散镜组来获得轴向色散，并借助彩色相机一次成像即可获得被测距离量，从而实现对被测表面形貌的三维测量。中国专利申请CN111366102A公开了一种折射式彩色共焦测量内孔表面形貌的测头结构，通过在色散物镜的物方设置由微型电机驱动的旋转直角棱镜实现对孔件内壁形貌的测量。但目前这些基于色散共焦原理的形貌测量方法所采用的色散透镜组结构复杂，体积大且装配过程复杂，测量准确性对装配精度存在较强的依赖性，难以稳定、灵活地对复杂曲面进行测量，对工作环境提出了较高的要求。

传统色散共焦透镜结构的复杂性严重制约了该项技术的实际应用价值，因此亟需提出一种轻量化、小型化的色散元件来代替传统的色散共焦透镜组。平面超结构是一种人工设计的亚波长周期性结构，能够通过在界面上引入相位突变的方法实现对光的振幅、相位以及偏振的调控。根据其排列结构及尺寸参数的差异，近年来在超透镜、全息成像、隐身衣等方面得到广泛应用。将平面超结构与色散共焦技术相结合，不仅能够替代传统的色散共焦透镜组，还具有体积小、轻薄、易于集成等显著优势，可用于小孔内表面形貌的测量。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于超结构色散共焦的复杂曲面形貌测量方法及系统。

本发明的技术方案如下：

一种基于超结构色散共焦的复杂曲面形貌测量系统，包括宽谱激光光源、传输光纤及耦合器、光纤准直器、微型色散共焦探头、光谱仪、微处理器、精密三维运动台和大量程平移台。

所述宽谱激光光源发出的光线经传输光纤及耦合器传播，并由固定于传输光纤端部的光纤准直器将光线准直为平行光，平行光到达微型色散共焦探头后产生光谱色散，聚焦于被测物表面的光线经传输光纤原路反射回光谱仪，通过微处理器解码光谱-距离映射关系获得测量值。所述微型色散共焦探头固定于精密三维运动台上，用于扫描设置于大量程平移台上的被测复杂曲面样品。

进一步的，所述微型色散共焦探头由超薄平面超构透镜、带通滤光片以及微型固定镜筒组成，其中超薄平面超构透镜由于对消逝波具有一定的收集和放大作用，能够实现远场超衍射极限测量。带通滤光片用于滤除光源当中非工作波段的光线，避免工作波段外的光线对测量过程产生干扰。所述微型色散共焦探头口径小于1mm，可深入大深径比的孔状结构甚至异形结构当中进行内部形貌测量。

进一步的，所述超薄平面超构透镜能使入射平面光线变为不同波长光线沿光轴方向在不同焦距位置处汇聚的轴向色散光线，超薄平面超构透镜的口径为50～200μm，其色散范围Δf由超薄平面超构透镜的口径和纳米结构单元对相位色散的操纵程度所决定，在这一限度内依据线性色散准则进行定制设计，相对应的数值孔径设计为0.02～0.8。