基于白光干涉的表面形貌接触和非接触两用测量系统的研究

论文摘要

表面形貌的测量方法通常可分接触式和非接触式两种,这两种方法在许多方面具有互补性且各自有自己的应用领域,因此有必要将两种测量技术集合组成一种混合型的测量仪器。本文以白光干涉测量技术为基础,以Linnik干涉显微镜为主体构成了一种新型的接触和非接触两用表面形貌测量系统。下面对论文的主要创新与研究内容进行概述和总结。提出了一种基于白光干涉测量技术的接触式表面形貌测量系统。利用波动理论点扩散函数的方法建立了接触式测量的数学模型,并讨论了接触式测量系统的灵敏度、非线性误差等特性。提出了一种接触和非接触两用表面形貌测量系统,两种测量方法均以白光干涉测量技术为基础,结构上均以Linnik干涉显微镜为主体。与其它同类测量系统相比,本系统具有资源共用程度高、测量精度高、成本低、应用广泛的特点。由于采用了白光干涉测量技术,没有单色光干涉测量系统所具有的相位模糊问题,与垂直位移扫描工作台和x-y扫描工作台相结合,接触式和非接触式测量系统均可进行大量程的测量。对非接触式测量的条纹识别方法进行了分析和总结,提出了非接触式测量的零级条纹判别采用两种求解方法,分别用于满足实际测量中对测量速度和测量精度要求不同的多种场合。对测量系统的主要部件进行了设计。讨论了白光光源的特性,提出了一种白光干涉仪中组合光源的设计判断标准,推导出了双组合光源和三组合光源的简洁设计公式,计算机模拟结果表明,本设计方法可以有效地提高白光干涉图形中零级条纹的识别精度。对接触式测量中杠杆机构的十字弹性支承进行了设计,并对杠杆机构的动态特性进行了分析。推导出了表面粗糙度与测量速度和测量力之间的关系,对接触式测量设置了三挡扫描速度,能够满足对不同粗糙度表面进行快速、有效的测量要求。对Linnik干涉显微镜中分光棱镜产生的误差进行了讨论,设计了工作台计量光栅的处理电路及其光栅信号的软件处理方法。讨论了整个测量系统的动态特性、滤波特性、测量的稳定性和重复性等特性。分析了接触式测量系统和非接触式测量系统的测量误差,分别设计了杠杆机构动态特性的标定方法以及接触式测量和非接触式测量的标定方法,给出了相应的标定结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 表面形貌测量系统及其研究的意义
• 1.2 表面形貌的测量方法及国内外研究现状
• 1.3 课题的来源、本文的主要工作及创新
• 2 白光干涉测量技术
• 2.1 引言
• 2.2 部分相干理论基础
• 2.3 双光束白光干涉仪的干涉图形分析
• 2.4 白光干涉图形中零级条纹的识别
• 2.5 本章小结
• 3 接触式和非接触式测量系统的测量原理
• 3.1 系统的总体构成与测量方法
• 3.2 三维成像公式
• 3.3 接触式测量原理
• 3.4 非接触式测量原理
• 3.5 接触与非接触两用表面形貌测量系统的特点
• 3.6 本章小结
• 4 测量系统关键部件的设计与分析
• 4.1 白光光源的设计及选择
• 4.2 分光棱镜的误差分析
• 4.3 杠杆机构的设计及性能分析
• 4.4 控制系统的设计
• 4.5 本章小结
• 5 测量系统的特性与误差分析
• 5.1 接触式测量系统的特性
• 5.2 非接触式测量系统的特性
• 5.3 测量系统的其它特性
• 5.4 测量系统的误差分析
• 5.5 本章小结
• 6 测量系统的标定及实验结果
• 6.1 工作台的标定
• 6.2 杠杆机构的动态特性标定
• 6.3 非接触式测量系统的标定
• 6.4 接触式测量系统的标定
• 6.5 大量程零件的实测结果
• 6.6 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望及今后工作的建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的第一作者学术论文
• 附录2 测量系统的实物照片
• 附录3 发明专利申请公开说明书
• 附录4 EI 收录文章的网上检索结果