CN1119646C - 测量物体表面形貌的朗奇光栅纹影仪装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于物体表面形貌的测量技术领域，涉及测量物体表面形貌的朗奇光栅纹影仪装置。由光路元件及将各光路元件固定结合为一体的机械结构所组成，所说的光路元件包括激光器组件、分光镜、平面反射镜、非球面准直透镜、二维朗奇光栅及CCD摄像机；机械结构包括连成一整体的上套筒、下套筒、横套筒、上立柱、下立柱、底板、导轨、水平导轨座和垂直导轨座；以及各光路元件的装配结构。本纹影仪装置不仅可同时获取x、y两方向上的面形变化梯度信息，而且具有结构紧凑、装配简单，使用方便的特点。

Description

测量物体表面形貌的朗奇光栅纹影仪装置

发明领域    本发明属于物体表面形貌的测量技术领域，特别涉及朗奇光栅纹影仪装置的结构设计。

发明背景    纹影仪光学系统通过光投影的明暗变化来指示被测物体表面不规则性或内部条件所产生的折射率、反射率以及透射率的变化，因此常被用来进行流体流速场分析、溶液浓度分析、表面平直度分析等。一种用于测量反射表面的纹影仪装置，包括：一点光源、一分光镜、一准直镜以及一刀口空间滤波器。其工作原理为；点光源发出的光经分光镜分光后，一路经准直镜准直后照射在被测物体表面上，另一路则会聚后成像在观察屏上。从被测表面反射回来的光束再经分光镜后会聚在像平面上，若被测表面是一平面的话，反射光束将在像平面上会聚成一无限小的光斑。若反射表面是一不规则的表面，其成像则或高于、或低于焦点。在焦点处放置一刀口，则该刀口会截断一部分的反射光束。被阻断的那部分光会在观察屏上形成暗条纹，而未被阻断的那部分光则在观察屏上形成亮条纹，从而在观察屏上便形成明暗相间的干涉图形。从该图形便可来检测被测表面的部分参数。从本质上讲，纹影仪所检测的是表面高度变化在一个方向(x)上的梯度变化，为要得到另一方面(y)上的变化，要么被测物体、要么刀口需转动90°，因此x、y方向上的梯度变化必须分开进行测量，且其方向不能确定。这种刀口式纹影仪的最大缺点是：它是一种半定量的测量装置。

对物体表面形貌的测量通常采用接触与非接触两类，在非接触测量中以光干涉和光线偏折法最为典型。干涉法测量的是光程差，而干涉图上各点的光强与光程差是一对多的关系，不能根据一张干涉图来完全确定被测表面的形貌，因此常在干涉法中引入相移技术，用多张干涉图来计算各点的相位，最终重构被测表面轮廓。缓变表面形貌的测量也是一个重要的测量课题，一些晶体在其生长过程中常需要研究和观察其浓度的变化以及表面形貌的宏观变化。因此相移干涉法不适合于测量变化的表面形貌。纹影仪法和莫尔测偏法由于测量的是光线偏折角，它不但包含了该点斜率的大小信息，而且也包含了斜率符号信息，因此适合于测量动态表面的形貌，则需同时获取两方向的表面梯度变化信息。而如前所述，无论是纹影法还是莫尔测偏法均不能同时获取两方向的梯度信息。

在W.L.豪维斯，“彩虹式纹影仪与马赫-曾德尔干涉仪的比较”，《应用光学》，1985年，第24卷，第六期，第816-822页中描述了一种用于检测被测物表面平直度的彩虹式纹影仪装置，其中的空间滤波器用一块颜色盘来替代刀口。盘的中央区为透明，第一圈具有第一种颜色，第二圈为第二种颜色，其他的圈各具有不同的颜色。若被测表面为平面，则观察屏上的像为白色；反之则为不同的颜色。尽管用该法可同时检测被测表面在不同径向上的梯度变化，但该装置的缺点是不能敏感被测表面的切向梯度变化，因此是一种半定量的分析方法。

在S.克莱恩等，“用于现场定量映照生长晶体周围溶液浓度轮廓的暗场式纹影显微镜”，《晶体生长杂志》，1997年，第179期，第240-248页中介绍了一种定量测量生长晶体周围溶液浓度轮廓的暗场型纹影仪显微镜，该法的基本装置为一纹影仪，在焦平面上同样设置一刀口空间滤波器。该装置的缺点也是不能同时获取x、y方向的浓度梯度，因此不能用于较快变化的扩散的测量。

发明内容    本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种测量物体表面形貌的朗奇光栅纹影仪装置，该纹影仪装置不仅可同时获取x、y两方向上的面形变化梯度信息，而且具有结构紧凑、装配简单，使用方便的特点。

本发明提出一种测量物体表面形貌的朗奇光栅纹影仪装置，由光路元件及将各光路元件固定结合为一体的机械结构所组成，所说的光路元件包括由激光器、扩束物镜和小孔滤波器所组成的激光器组件、分光镜、平面反射镜、非球面准直透镜、由二维朗奇光栅构成的空间滤波器及CCD摄像机；所说的机械结构包括连成一整体的上套筒、下套筒、横套筒、上立柱、下立柱、底板、导轨、水平导轨座和垂直导轨座；以及小孔滤波器的二维调节机构，扩束物镜调节机构，激光器组件的装配结构，朗奇光栅与摄像装置的装配结构，反射镜调节机构；其连接关系为：安装有激光器组件的装配结构垂直连接在横套筒的一侧，分光镜安装在横套筒中位于激光器组件的前方且与激光器组件的光轴成45°斜角；平面反射镜调节机构安装在上套筒顶部，使平面反射镜与水平光轴成45°斜角，非球面准直透镜设置在下套筒底部的被测物体上方；装有朗奇光栅及摄像装置的装配结构安装在导轨上，水平导轨座安装在上立柱上端。

本发明的主要特点是在传统的纹影仪像平面的空间滤波器位置上替代刀口法而放置一块二维朗奇光栅，用于同时获取在x、y两方向上面形变化的梯度信息。该面形变化的梯度信息可被一摄像机所接收。对该图像信息分别进行逐行(x向)逐列(y向)的扫描和解调处理，则可获取被测表面在两方向上各自的变化梯度信息，从而可重构被测表面的形貌。本发明不仅能测量物体静态表面的形貌，而且也可测量变化表面的形貌。

附图说明

图1为本发明的实施例的光路元件组成及原理图，

图2为本发明的实施例的总体结构示意图，

图3为图2所示的本实施例的A-A剖视图，

图4为本实施例的小孔滤波器调节机构示意图，

图5为本实施例的扩束物镜调节机构示意图，

图6为本实施例的激光器调节机构示意图

图7为本实施例的光栅投影及摄像装置示意图，

图8为本实施例的平面反射镜调节机构示意图，

图9为实施例的二维朗奇光栅结构示意图。

具体实施方式    本发明提出的测量物体表面形貌的朗奇光栅纹影仪装置的实施例由光路元件及将各光路元件固定结合为一体的机械结构所组成，如图1-9所示，各组成部分结合各附图分别详细说明如下：

本实施例的测量装置的光路元件的组成及原理如图1所示，图中，激光器发出的激光束由扩束物镜2扩束，经小孔滤波器3消除杂散光之后，由分光镜4改变其一部分光的传播方向，经平面反射镜7改变光路，然后经非球面准直透镜8准直后照射在被测物体9上，该平行光被被测物体9反射后，按原路返回经分光镜4再次将光分为两路，其中一路会聚在焦平面上，经空间滤波器5投影到CCD摄像机6的感光阵列上。其中，空间滤波器5采用二维朗奇光栅。

本实施例的纹影仪装置的总体结构如图2所示。图中，该纹影仪装置包括上套筒12、下套筒13、横套筒14、上立柱15、下立柱16、中间板17、底板18、激光器组件19、光栅投影及摄像装置20、导轨21以及小孔滤波器的二维调节机构，扩束物镜调节机构，激光器组件的装配结构，朗奇光栅与摄像装置的装配结构，反射镜调节机构；激光器组件19由激光器1、扩束物镜2、减光片和小孔滤波器3所组成，激光器组件19用螺钉垂直连接在横套筒14的下方，在本实施例中，所用的激光器为—氦—氖激光器，也可用半导体激光器；分光镜4被安装在横套筒14中激光器组件19的上方、与激光器组件19的光轴成45°斜角；平面反射镜7被安装在平面镜透镜机构11上，整个平面镜透镜机构11用螺钉固定在上套筒12顶部凸台22上，与水平光轴倾斜成45°，平面镜透镜机构11与凸台22间加有垫圈24；上套筒12的顶部最后用盖板25经螺钉盖死；非球面准直透镜8被配置在上套筒12底部的压圈25上；光栅投影及摄像装置20被配置在导轨21上，并可沿导轨21前后移动，以调节光栅在光路中的位置；导轨21则被用螺钉连接在水平导轨座26上，水平导轨座26则用螺钉与垂直导轨座27相连，垂直导轨座27则用螺钉连接到横套筒14上，水平导轨座26则被连接到上立柱15上；上立柱15和下立柱16均为中空的圆柱体；上立柱15、下立柱16、中间板17用于连接上套筒12和下套筒13使之成一整体；下套筒13为一空心半圆柱，用于容纳被测物体9；被测物体9放置于下套筒13中的三个调节螺钉28之上，调节螺钉28被用来调节被测物体9的水平状态；整个仪器用三个固定螺钉29加以固定并调整成水平状态。

图3为图2所示的本发明的测量装置的A-A剖视图，其中下套筒13和下立柱16被配置在底板18上，一弧形外罩30与下套筒13形成一内室31用于容纳被测物体9，外罩30可在环形槽32中滑动，其外部由两结合在一起的半圆环件33和34所定位。

为将小孔滤波器3的小孔调到与光束会聚点重合，采用的二维调节机构实施例结构如图4所示。图中，小孔3固定在滑块101上，滑块101可在滑块102的滑糟内移动，滑块102又可沿框架111上的配合面移动。用螺钉103和104各调节一个方向.弹性堵头105、106、107、108用来消除螺钉103、104的螺纹空程。调好小孔位置后分别用顶丝109、110来锁紧。

图5为本实施例的扩束物镜调节机构示意图，扩束物镜2安装在扩束物镜底座201上，该扩束物镜底座201与物镜套筒204螺纹连接，可精确调节扩束物镜2与小孔3间的轴向距离。调节螺钉202用以调节径向距离。

激光器组件19的实施例结构如图6所示，图中，激光器内套筒301固定在上底座303上，外套筒302可沿内套筒301上下移动来调整激光器1的高度。调节螺钉306和305位于激光器300的头尾两端，用于调节激光器轴线方向。连接环304用于连接激光器1与上端的物镜套筒307起遮光作用，同时可承载减光片308。光源位置一旦发生偏离将使后续光路调整全部无效。

为将CCD面阵准确调整到准直透镜的焦点上，同时使CCD面阵到光栅座保持一定的Talbot距离，采用的光栅投影与摄像装置实施例结构如图7所示。其中，朗奇光栅5固定在调整套筒401上，调整套筒401可沿轴向在CCD座403内移动。调整好位置后用限位环402来固定所调位置。调整CCD座403与调整套筒401的相对位置就能在CCD的感光面404上得到清晰的朗奇光栅自成象。整个装置固定在滑块406上，可沿燕尾糟导轨在光轴方向上移动，来确定CCD面阵404位置。整个装置用后盖板405来盖住。同时为消除原始波面上的不同部分在朗奇图上的相互重叠现象可将光栅放置在离光线会聚点具有一定距离的地方，对此的一个优选实施例形式是将感光面阵放在光束会聚点之前，使光束尽可能充满拍摄现场，从而可获得质量更好的朗奇图像。

为能得到平行光，采用的平面镜透镜机构实施例结构如图2和图8所示，其中，平面镜框与上套筒12的凸台22的连接采用弹性连接，设计了三个调节螺钉504对来对平面反射镜7的角度作微调。平面反射镜7置于反射镜底座501上，并用压块503将反射镜7固定，盖板25固定在上套筒12上，用调节弹簧502和调节螺钉504来调节反射镜7的位置来微调非球面透镜8与小孔滤波器3之间的光程长度，从而得到平行光。

由于被测量对象为缓变表面，因此要同时获取表面在x、y两方向上的变化信号，为此采用二维朗奇光栅来作为空间滤波器，其实施例结构如图9所示，该光栅为矩形网格状、点的相间的二维直光栅。在本发明的一个实施例中，所测表面为缓慢变化的晶体生长表面，其变化频率约为1HZ，根据信号采样定理，可将矩形单元格的边长a定为0.25mm。

Claims (8)

1、一种测量物体表面形貌的朗奇光栅纹影仪装置，由光路元件及将各光路元件固定结合为一体的机械结构所组成，所说的光路元件包括由激光器(1)、扩束物镜(2)和小孔滤波器(3)所组成的激光器组件(19)、分光镜(4)、平面反射镜(7)、非球面准直透镜(8)、由二维朗奇光栅构成的空间滤波器(5)及CCD摄像机(6)；所说的机械结构包括连成一整体的上套筒(12)、下套筒(13)、横套筒(14)、上立柱(15)、下立柱(16)、底板(18)、导轨(21)、水平导轨座(26)和垂直导轨座(27)；以及小孔滤波器(3)的二维调节机构，扩束物镜调节机构，激光器组件的装配结构，朗奇光栅与摄像装置的装配结构，反射镜调节机构；其连接关系为：安装有激光器组件(19)的装配结构垂直连接在横套筒(14)的一侧，分光镜(4)安装在横套筒(14)中位于激光器组件(19)的前方且与激光器组件的光轴成45°斜角；平面反射镜调节机构安装在上套筒(12)顶部，使平面反射镜(7)与水平光轴成45°斜角，非球面准直透镜(8)设置在下套筒(13)底部的被测物体(9)上方；装有朗奇光栅及摄像装置的装配结构(20)安装在导轨(21)上，水平导轨座(26)安装在上立柱(15)上端。

2、如权利要求1所述的朗奇光栅纹影仪装置，其特征在于，所说的小孔滤波器(3)的二维调节机构包括一框架(111)，该框架(111)装配有可进行两个方向调节的螺钉(103，104)，一组可沿该框架(111)上的配合面移动的带有滑糟的滑块(102)，以及可在该组滑块(102)的滑糟内移动的固定小孔滤波器(3)的滑块(101)。

3、如权利要求1所述的朗奇光栅纹影仪装置，其特征在于，所说的扩束物镜调节机构由安装扩束物镜(2)的扩束物镜底座(201)及套于该扩束物镜底座(201)外并与其螺纹连接的物镜套筒(204)所构成。

4、如权利要求1所述的朗奇光栅纹影仪装置，其特征在于，所说的激光器组件(19)的装配结构包括，安装有激光器的内套筒(301)，该内套筒(301)安装有调节螺钉，套于该内套筒(301)外并与其螺纹连接的外套筒(302)，用于连接激光器(1)与上端的物镜套筒(307)的连接环(304)。

5、如权利要求1所述的朗奇光栅纹影仪装置，其特征在于，所说的朗奇光栅与摄像装置的装配结构包括，固定朗奇光栅的调整套筒(401)，套于该调整套筒(401)外并与其螺纹连接的固定摄像装置的CCD座(403)，套于该调整套筒外的限位环(402)。

6、如权利要求1所述的朗奇光栅纹影仪装置，其特征在于，所说的反射镜调节机构包括，平面镜框(505)、上套筒(12)、凸台(22)、反射镜底座(501)、盖板(25)及调节螺钉(504)；所说的平面镜框(505)与上套筒(12)的凸台(22)的连接采用弹性连接，平面反射镜(7)置于反射镜底座(501)上，该盖板(25)固定在上套筒(12)上。

7、如权利要求1所述的朗奇光栅纹影仪装置，其特征在于，所说的二维朗奇光栅(5)为矩形网格状、点的相间的二维直光栅。

8、如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的朗奇光栅纹影仪装置，其特征在于，所说的激光器(1)为—氦—氖激光器。

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