光学接触式微型三维测量系统

　　1　引　　言

　　近年来,尺度在百微米至几个毫米的微型工件加工工艺和测量技术已成为制约微型、小型机械发展的关键技术。微型工件几何参数测量中光学非接触法应用比较多,但其缺点是实际测量时常受到工件表面光、机特性的严重影响,且边缘的确定很大程度上取决于算法和照明方式,并常受到倒角和材料扭曲变形的影响。一般情况下光学方法只能测量大致垂直于光学轴　　的工件表面,轴向测量范围很小,透明材料的工件和大部分三维形状的工件都很难测量。传统的机械接触方法因其测头的直径和测量力比较大,一般无法直接实现微型工件的接触测量。目前虽有商用化测头直径为0.2mm的测头系统,但因其测杆弹性变形和塑性变形的影响,测量准确度和速度大幅度下降。此外,也有一些微型化的机械接触式测头系统,但大部分测量原理都是建立在直接或间接测量测力引起的测杆变形,这在某种程度上常常带来很大的不确定度误差。

　　为解决微型工件三维几何参数测量中的特殊问题,本文将介绍一种集光学方法和机械接触式方法优点于一体的光学接触式测量系统。

　　2　光学接触式测量系统的原理〔1,5〕

　　测量系统的原理基于利用光学成像系统1和CCD摄像机2确定被照明的接触测头的球心位置(图1)。经拉伸及弯曲后的传光光纤3做为“测杆”置于光学系统的光轴上,在光纤的拉伸端粘有或利用热熔化方法形成的微型触测球体。微型触测球体被调整到光学系统的物平面内,并由光纤另一端的冷光源照明4。由被照明的触测球体反射或漫反射回来的光经光学成像系统在像平面的CCD上形成圆形亮光斑。当系统触测工件5时(触测球体相对于CCD移动),亮光斑的位置将发生变化。光斑中心位置的变化(与被测点的空间坐标相对应)可以利用相应的图像处理软件以亚像素的精度计算出〔2〕。

　　理论上讲,若光学系统采用10倍的测量物镜,CCD像素间距为10μm,则光学系统标尺应为1μm/像素。当亮光斑在CCD上所成的像多于50个像素,则利用亚像素插分优化算法,光斑中心位置的横向分辨率可达0.05μm。

　　触测工件时触测球体在光轴方向上的离焦距离可利用在CCD上的亮光斑直径大小的变化进行补偿。即当触测球体离焦时,将导致亮光斑的边界对比度减弱,若采用灰度阈值法进行边界判断时,则相当于亮光斑的直径被放大了(图2)。亮光斑直径的变化和轴向离焦距离的关系可以通过实验标定出来,实验表明在焦平面附近的一段区域内其关系呈线性〔3,4〕。

　　系统测量时的触测到位信号由图像处理单元对亮光斑的中心位置进行实时监测给出,即当亮光斑的中心位置变化超过一定阈值时,发出触测到位采样信号。所给阈值的大小根据测量力的大小而定,一般情况下控制测量力小于10μN。