大量程高线性光谱共焦位移测量系统

兼具高精度、高稳定性并能实现非接触测量的光谱共焦位移测量系统在工业、医疗、科研等许多领域得到了广泛应用。目前制约光谱共焦位移测量系统应用发展的因素是大量程和高线性度。讨论了光谱共焦位移测量系统中色散物镜实现线性轴向色散的条件,设计了一种高线性色散和大色散范围的色散物镜,指定了适合的公差范围,加工装配了一组色散物镜,搭建了光谱共焦位移测量系统,采用双频激光干涉仪进行了位移标定,并对标准量块进行了厚度测量。结果表明,该系统工作波段为450 nm~650 nm,实际位移范围为10 200μm,线性拟合判定系数R^(2)达到0.993 7,实际测量最大误差仅为3μm,证明该光谱共焦位移测量系统同时具备大量程、高线性度和高测量精度的特点。

基于光谱共焦探针的Wolter-Ⅰ型X射线显微镜芯轴高精度检测

Wolter型X射线显微镜具有高分辨率和集光区域,在先进光源和高能激光器中有重要的应用价值。基于镍电镀成形的复制法是制备Wolter型X射线显微镜的有效方法之一,其中,芯轴的表面精度和质量会直接影响X射线成像的性能。高精度检测技术是芯轴制备的基础,而传统检测装置难以测量具有圆周回旋对称特征的Wolter型表面轮廓。为了解决Wolter型芯轴检测难和测量精度低的问题,搭建了基于光谱共焦探针的离线检测装置实现芯轴表面中低频轮廓的高精度测量,分析了该装置的各类系统误差和随机误差,并采用双探针与标准镜来校准测试过程,将测试中的温湿度漂移和随机误差的PV值降低至23 nm。最后,开展了该检测装置和CGH干涉检测法的检测对比实验。通过Wolter芯轴表面测试结果比较,两种测试方法的偏差PV值约为60 nm,证明了该检测装置的合理性和检测方法的准确性。

光谱共焦法厚度测量系统中抖动补偿算法研究

为获得样品多点数据,光谱共焦位移传感系统在移动测量时会产生抖动效应,引起测量数据发生漂移,文中基于已实现的光谱共焦厚度测量系统,研究抖动的影响并探究抖动补偿算法。首先,基于光谱共焦厚度测量模型及抖动存在时探头相对于光轴发生一定倾斜,推导了抖动对厚度测量影响的关系模型,并采用蒙特卡洛法分析了4种样品在不同程度随机抖动下的厚度概率密度函数,将解析结果与蒙特卡洛仿真结果进行比较,验证了厚度概率密度函数表达式的正确性。结果表明:抖动效应导致测量性能下降,尤其在样品厚度较大时;而抖动标准差较大时,较薄的样品具有更好的抗抖动性能;为补偿抖动的影响,提出采用Savitzky-Golay滤波及高斯拟合实现滤波和光谱信号峰值波长的提取,并建立了抖动误差补偿算法;最后,对厚度为(1.0±0.1) mm的样品进行实验测量,测得平均厚度为1.064 0 mm,补偿后的相对标准偏差为0.29%,验证了抖动补偿算法的有效性。文中的研究内容对提高系统测量稳定性及测量精度有一定的指导意义。

高精度线扫式光谱共焦位移传感器光学系统设计

光谱共焦位移传感器是一种新型几何量精密测量传感器,具有高精度,高效以及非接触的技术优势,目前被广泛应用于微观或宏观几何量的精密测量。传统的几何量测量传感器采用接触式机械探针,对物体表面造成损伤,难以满足现代化制造业无损测量的需求。不同于传统的光学系统需要校正轴向色差,光谱共焦位移传感器利用轴向色差建立位移和波长之间的关系。然而目前针对光谱共焦位移传感技术的研究大多集中于点扫式,仅能获取单个点位的几何量信息,在实际应用中需要较大区域的精密测量,故而效率受到极大的限制,并且对后端数据处理要求较高,数据重构较为繁琐。针对该技术弊端,设计出一种线扫式光谱共焦位移传感器系统,达到了亚微米的分辨率。对线扫式光谱共焦位移传感器进行原理分析,开展了大量程色散物镜、高光谱分辨率成像光谱仪的详细设计。通过对色散物镜和成像光谱仪光路结构的优化及像差的平衡,使得全系统各视场RMS半径小于5.5μm,得到了很好的成像质量。结果表明,全系统在扫描线长10 mm,轴向量程范围3 mm,分辨率达到0.8μm。该研究在高效、高精度几何量精密测量领域具有广阔的应用前景。

基于光谱共焦的缸套内表面微织构形貌在线测量方法研究

为实现缸套内表面微织构形貌的在线检测,设计一种非接触式测量系统。采用基于EtherCAT通信协议开发的伺服系统,通过高精度伺服电机带动光谱共焦位移传感器,一次采集多个微织构的不同截面轮廓,经特征提取与坐标变换,形成单个织构的三维点云数据。通过光强值出现局部极小值确定边缘位置,采用稳健高斯回归滤波方法滤除误差,使用移动最小二乘法拟合曲面,最终获得微织构的精准三维形貌。试验结果表明:该系统与超景深显微镜测得的直径最大差值为5.7μm,深度最大差值为0.45μm,具有较高的重复性和精度,可作为缸套内表面微织构形貌在线检测的一种手段。

光谱共焦传感器多参数高准确度校准

针对高准确度光谱共焦传感器缺乏相应校准装置及方法的问题,提出了一种基于激光干涉测量的校准方法,并研制了相应的校准装置。一方面,提出了一种波长倍数间隔测量法,通过位移反馈控制将位移间隔设置为激光波长的整数倍,以减小激光干涉仪非线性误差对测量的影响;另一方面,提出了测点修正算法,消除了受检点处位移标准值因校准装置定位准确度限制不重合对测量的影响。实验结果表明:在0~100μm的测量范围内,示值误差为±23 nm,重复性为5 nm,示值误差测量结果的扩展不确定度U_(2)=7.0 nm(k=2)。构建的校准装置在0~50 mm的测量范围内的示值误差测量结果不确定度为U_(1)=3.0 nm+2×10^(-7)L(k=2)。

多通道抗串扰式光谱共焦位移测量方法

提出一种位移测量方法,解决扫描光谱共焦测量系统存在不同共焦点之间的相互干扰问题。通过光纤束保持多个测量通道之间的独立性,并利用光开关切换测量通道来防止干扰。该系统的7个共焦点构成一个等边六边形,其中6个点分别位于六边形的各顶点处,1个共焦点位于六边形的中心,六边形的边长为43.27μm。通过位移测量实验得出,位移测量系统各测量通道的绝对误差小于0.15μm,范围为0~90μm。在测量台阶高度的实验中,2个高度差为30μm的台阶面,误差最大者为0.16μm;在球径测量实验中,无需移动测量系统或被测物体便可完成7路通道的测量;通过对数据进行拟合得到半径为5 mm的球体近似值,最大误差为80.92μm。对比传统方法,该方法展现了较高的精度和分辨率。

基于衍射色散原理的光谱共焦位移测量技术综述

位移检测技术是几何量精密测量的基础,在当代精密制造领域应用广泛。光谱共焦位移测量技术具有对环境杂散光、被测物倾斜、材料类型不敏感,测量频率高以及分辨率高等优点,可以检测位移量、表面粗糙度、三维形貌以及单层或多层透明材料的厚度,在精密位移测量领域中占据重要地位。近年来,利用衍射光学元件提高光学系统性能的光谱共焦测量技术被广泛研究。文章综述了基于衍射色散原理的光谱共焦位移测量技术的研究进展。首先,介绍了光谱共焦位移测量原理和衍射光学元件的色散特性;其次,阐述了基于衍射色散原理的光谱共焦位移测量技术的发展历史及研究进展;最后展望了该技术的发展趋势。

基于二元衍射的光谱共焦显微位移测量

为实现高精度、高轴向分辨率的光谱共焦显微位移测量,提出一种将二元衍射透镜引入测量系统的方法。该方法中二元衍射透镜相比于传统折射透镜色散线性度更好,且在消色差的同时减小单色像差特别是对测量影响较大的轴上球差的影响。在数据处理上采用中值滤波减小随机噪声对谱峰定位造成的影响,质心法和多项式拟合的方法分别减小峰值波长提取和标定曲线拟合的误差。实验选用白光光源,采用50×物镜和100×物镜分别和二元衍射透镜组合搭建系统,通过PI纳米位移台对系统进行标定和测量。实验结果表明,100×物镜系统测量精度更高,测得该系统在432~807 nm的波长范围内,测量范围为40μm,系统的平均测量精度可达0.0462μm,轴向分辨率优于0.2μm,符合微小间距测量的要求。

基于光谱共焦技术的高精度非接触测头

为了解决光谱共焦非接触测头存在的量程较小、精度差等问题,设计了一种四片式大量程透镜组,并提出了一种基于Adam算法的峰值波长提取算法和一种分段拟合曲线标定方法。透镜组在大约470-730 nm波段内,位移测量范围可达4500μm。利用设计的透镜组搭建了测头系统,通过实验验证了使用Adam算法的位移误差为0.3μm,比质心法减小了68.3%,比传统高斯拟合法减小了26.0%,比抛物线拟合法减小了24.3%,而使用分段拟合方法的位移误差比使用传统多项式标定方法减小了92.4%。实验结果表明,所设计的测头系统可以实现较大量程的高精度非接触位移测量,为进一步研究基于光谱共焦技术的高精度位移传感器提供了理论和实验依据。

基于光谱共焦测量原理的波形弹簧自由高度检测技术分析

为解决波形弹簧人工检测效率低、检测精度差等问题,提出了一种基于光谱共焦测量原理的波形弹簧自由高度检测方法。该方法利用光谱共焦位移传感器与精密机械转台组成旋转扫描测量系统,在自由状态下实现对波形弹簧表面轮廓扫描测量,并针对其轮廓特征提出一种等步距窗口移动的峰值提取算法,完成了波形弹簧所有波峰峰值点的精确提取,最终实现对波形弹簧自由高度的精确评定。与传统人工测量方法相比,本方法的测量效率提高200%以上,测量精度由0.01mm提高到0.003mm,对波形弹簧工艺参数的优化以及制造性能的提升具有重要意义。

光谱共焦显微镜的线性色散物镜设计

由于色散物镜轴向色散与波长间的非线性会导致仪器整体性能下降,本文研究了光学系统轴向色散与透镜组之间的关系,推导了轴向色散的传递公式。为得到较大的线性轴向色散,根据轴向色散的传递公式提出了一种正负透镜组均采用线性色散光焦度组合且正负透镜组分离的镜头结构。光学优化设计表明,具有正负透镜分离结构的色散物镜可以得到低的球差和大的轴向色散,而且具有较大的工作距离。设计的色散物镜在430～710nm得到了1mm的轴向色散,轴向色散与波长之间的相对非线性度为4.6%,灵敏度的波动量小于整体的1/3,优于之前的研究。采用所设计的色散物镜,光谱共焦显微镜能够得到优于0.3μm的轴向分辨率和优于5μm的横向分辨率,满足精密测量的需求。

光谱共焦位移传感器的色散物镜设计

光谱共焦位移传感器具有精度高、适应性强等特点,传感器的关键部件是产生轴向色散的物镜。本文对传感器的工作原理进行了分析,推导了计算物镜光学参数的公式,并依据此公式计算结果设计物镜,得到了满足设计指标的物镜,且与理论计算相符。传感器的工作波长范围是500~700nm,设计的色散物镜利用高色散玻璃和双胶合透镜达到了1mm的量程,配以合适的光谱仪,传感器分辨率优于1μm。物镜使用齐明透镜和双胶合透镜减小球差,使得各波长的最大球差约为0.6μm,满足物镜精度要求。

线性色散设计的光谱共焦测量技术

研制了高精度的光谱共焦位移测量系统并完成相关测试。基于色差理论和材料优化选择设计一种色差与波长成线性关系的色散物镜,有助于平衡系统在全测量范围的灵敏度。理论分析了系统参数对系统的影响规律,计算了针孔尺寸与系统的分辨率和信噪比的关系,给出了参数优化结果。利用设计的线性色散物镜和参数优化结果,构建了光谱共焦测量系统,完成了系统的校准、测试和应用研究。结果表明,系统的轴向测量范围达到1 mm,分辨力优于0.5μm,全程测量误差小于2μm,符合设计要求。

光谱共焦显微镜中色散物镜材料的优化选择

色散物镜是光谱共焦显微镜的关键组件,其轴向色散线性度和色散范围会影响光谱共焦显微镜的性能。在线性轴向色散的理论基础上,研究了优化选择材料组合的方法,给出了优化模型和求解方法,得到了具有最大色散的材料组合及其光焦度分配,并使用光学设计软件对优化结果进行了模拟。模拟结果表明,使用本文优化方法得到的材料组合,波长与轴向色散成线性关系,而且具有最大的轴向色散。使用得到的最大色散材料组合进行色散物镜设计,得到了较好线性度的色散物镜,并具有较短的有效焦距。本文给出的优化选择材料组合的方法可以为设计光谱共焦显微镜提供指导,有效缩短镜筒长度,提高光谱共焦显微镜的性能。

光谱共焦传感器校准方法对比分析

主要对光谱共焦传感器的校准时的误差进行研究.分别利用激光干涉仪与高精度测长机对光谱共焦传感器进行测量,用球面测头保证光谱共焦传感器的光路位于测头中心,以保证光谱共焦传感器的在测量时的安装精度,然后更换平面侧头,对光谱共焦传感器进行校准.用最小二乘法对测量数据进行处理,得到测量数据的非线性误差.结果表明:高精度测长机校准时的非线性误差为0.030%,激光干涉仪校准时的分析线性误差为0.038%.利用最小二乘法进行数据处理及非线性误差的计算,减小校准时产生的同轴度误差及光谱共焦传感器的系统误差,提高对光谱共焦传感器的校准精度.

彩色光谱共焦传感器误差溯源及其校准方法分析

针对国内光谱共焦传感器校准方法不统一、计量特性难以比较等问题,提出3种基于精密标准器的光谱共焦传感器校准方法,并基于此开展校准和计量特性评定。分别采用精密位移台、高精度测长仪与激光干涉仪3种标准器对光谱共焦传感器的基本误差、线性度、重复性、回程误差等参数进行校准,3种方法所测某种光谱共焦传感器的最大误差分别为2.76,3.40,1.17μm,线性度分别为0.689%,0.850%,0.293%,重复性分别为1.463,1.324,0.787μm,回程(迟滞)误差为0.51μm。校准结果表明:所提出的3种计量特性校准方法是有效的,光谱共焦位移传感器计量特性满足使用要求,其中,激光干涉校准法精度最高且可靠。研究成果有助于提高彩色光谱共焦位移传感器校准效率和可靠性,并为大尺寸玻璃平面度的高精度测量提供坚实的技术支撑。

光谱共焦传感器探测误差的研究

针对装配在多传感器坐标测量机上的光谱共焦传感器的精度评价问题,分析了曲面倾角对传感器测量精度的影响,对传感器的点测量模式和扫描测量模式的计量特性进行了研究,主要包括形状探测误差、尺寸探测误差、扫描探测误差、平面探测误差,并设计了合适的标准器进行实验分析。通过对光谱共焦传感器计量特性的研究,可为用户应用光谱共焦传感器进行大尺寸自由曲面测量的不确定度分析提供理论支持。

光谱共焦透镜组设计及性能优化

根据光谱共焦位移测量系统的测量原理,分析了光谱共焦测量系统中色散透镜组的性能对整个测量系统性能影响,并提出了设计要求。利用ZEMAX光学设计软件设计了2组透镜,第1组透镜加工装配后进行了性能测试,测量结果与设计结果符合很好。第2组透镜对性能进行了改进,从结果来看,像差、数值孔径、灵敏度及位移分辨率等指标都优于第1组透镜,达到设计要求。

光谱共焦位移传感器镜头设计研究

光谱共焦位移传感器是一种高精度、非接触式位移传感器。本文讨论了光谱共焦法用于位移测量的基本原理,用Zemax光学设计软件完成了一个镜头组的设计,并给出了光谱共焦位移传感器镜头组的设计方法以及像差分析。该镜头组采用密接透镜结构,工作波段为486.13nm-656.27nm,测量范围约为91μm,轴向响应FWHM优于5μm。通过线性回归分析得出波长与位移间判定系数为0.99523,在测量范围内,位移与波长间的线性关系较好。