微表面形貌检测仪的系统建模和功能扩展研究

论文摘要

本文对微表面形貌检测仪进行了系统建模和功能扩展的探究。对系统的整体结构、光学系统和软件部分功能作了详尽的介绍。理论上对光学系统进行了光能计算,选择LightTools软件对光学系统完成了建模,通过软件与理论推导出的照度情况进行了对比。为测量非球面被测物,实现了双波长测量法功能,分析了该算法及其误差补偿算法的原理。为增加测量深度及粗糙度可测范围,实现了白光干涉法,分析其原理。为增加白光零级条纹的可见度,引入组合光源法。对光纤连接器及粗糙度样板进行了探测试验,给出不同光源组合的实验对比。分析了算法误差来源及改进方法。论文完成的主要工作1.阐述了微表面形貌检测仪的整体结构和光学系统。设计并制作了LED的驱动电路板,为后续组合光源实验创造了条件。给出了为提供更准确的前置电压和前置电流而调节电路板的过程。介绍了微表面形貌检测仪软件部分的功能、结构组成及可测参数。2.为在今后的工作中进一步改善系统照明,对光学系统建立了软件模型。首先从理论上对光学系统光能损失进行了估计、对系统光能进行计算。然后用LightTools对整个光学系统进行了仿真模拟并进行了光路追迹。最后分析了CCD光敏面上的照度情况,与理论推导结果进行了对比。3.为了使微表面形貌检测仪能够测量曲率较大的非球面被测物,在系统中引入了双波长测量法,分析了其原理及误差放大原因,给出消除误差的算法原理。为了增加微表面形貌检测仪的测量深度,引入了白光相关峰探测五步法和三步法,分析了其原理。用Visual C++实现了以上算法。为了增加白光干涉中零级条纹的可见度,引入了组合光源法,给出理论上的最佳波长组合。4.用双波长测量法测量光纤连接器端面。分别采用不同波长组合进行实验。通过单波长实验对双波长测量法进行了对比,给出基于本系统的误差来源及改善方法。采用白光干涉法测量粗糙度为0.8μm的粗糙度样板。用白光LED照明做了白光相关峰探测五步和三步法实验,选择三步法进行后续形貌提取。用组合光源照明进行功能实验。对比实验验证了组合光源照明探测效果好于白光LED照明效果。给出了测量粗糙度样板的测量精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 微表面形貌检测的测量方法
• 1.2 干涉计量中的相位测量方法
• 1.3 国内外形貌检测仪的发展现状
• 1.4 微表面形貌检测测量范围的扩展
• 1.4.1 双波长测量法
• 1.4.2 白光干涉法
• 1.5 光学系统模拟软件
• 1.5.1 以透镜设计为核心的软件
• 1.5.2 以照明效果模拟为核心的软件
• 1.6 本文的主要研究工作与各章主要内容
• 第二章 微表面形貌检测仪的结构
• 2.1 微表面形貌检测仪的总体结构
• 2.2 微表面形貌检测仪的光学结构
• 2.2.1 微表面形貌检测仪的显微干涉结构
• 2.2.2 光源及照明部分
• 2.3 微表面形貌检测仪的软件结构
• 2.3.1 干涉图像的采集
• 2.3.2 数据处理
• 2.3.3 表面形貌参数测定
• 2.4 本章小结
• 第三章 微表面形貌检测仪的系统建模
• 3.1 干涉系统的光能计算
• 3.1.1 光学系统的光能损失
• 3.1.2 系统的光能计算
• 3.2 LightTools 软件简介
• 3.3 光学系统的软件建模
• 3.3.1 光源的模拟
• 3.3.2 透镜的模拟
• 3.3.3 被测物的模拟
• 3.3.4 系统模拟效果
• 3.4 本章小结
• 第四章 白光相移干涉算法研究
• 4.1 相移干涉法
• 4.1.1 相移干涉原理
• 4.1.2 相位解包裹原理
• 4.1.3 双波长测量法
• 4.2 白光干涉法
• 4.2.1 白光相关峰探测法
• 4.2.2 组合光源法
• 4.3 本章小结
• 第五章 白光相移干涉法实验研究
• 5.1 双波长测量法实验
• 5.1.1 实验步骤
• 5.1.2 不同波长组合的双波长测量法实验
• 5.1.3 单波长测量对比
• 5.1.4 双波长测量法误差分析
• 5.2 白光干涉实验
• 5.2.1 白光LED 照明的白光相关峰探测实验
• 5.2.2 组合光源照明的白光相关峰探测实验
• 5.2.3 粗糙度测量的重复测量精度
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢