微分干涉自动检测系统工程化样机的研制

摘要

随着微表面三维形貌检测技术与表面精细加工技术的不断发展，近年来在精密加工与检测的领域中，对精密元器件的微观表面三维形貌的测量精度要求越来越高。微表面形貌的检测技术与方法有很多，其中基于光学干涉原理发展起来的检测技术有着非接触、精度高、稳定性强等优点。但微表面形貌的检测技术目前仍大多处于实验室的研究、测试阶段，能够工程化并投入市场的较少，且价格大多较为昂贵。因此对具有高测量精度并且工程化的微观表面形貌的三维检测系统的研究，不仅具有科研意义，更具良好市场前景。
　　本文基于剪切干涉原理、偏振移相干涉原理，采用环境敏感度较低的共光路系统，研制出了一套微分干涉三维形貌自动检测系统的工程化样机，横向分辨率达到0.867μm，纵向分辨率达到0.508 nm，具有高测量精度与稳定性。硬件方面，针对以往系统需要手动调节光路及硬件品质的问题，根据系统硬件构成升级了影响系统测量精度的关键硬件，提高了系统测量精度；并加入了自动控制系统，实现了利用软件控制图像采集、机械移相、样品平移，实现了系统的全自动化。最终提高了系统检测精度与抗干扰能力，能够使系统更好的适应复杂的工业条件。针对以往系统停留在实验室研究阶段的问题，提出了同轴理论与三维建模，提高了系统抗干扰性与稳定性，并研制出具有高模块化与集成化水平的工程样机，实现了由实验系统向工程化、商业化的转变。
　　软件方面，针对以往实验系统只能测量单点形貌及手动移相的问题，结合工程化新要求，开发了一键式自动采集图像与多点形貌拼接的新功能：利用 VC++语言与 QT开发平台实现了机械式自动精准移相与自动采集图像的流程配合，提高了测量系统的工作效率与准确度；实现了相邻多点的线性拼接功能，增加了测量样品表面的直线距离，最小拼接误差达到0.86%，更符合工程化的功能需求。针对以往实验软件功能单一且依赖开发平台运行的问题，本文利用 VC++语言与 QT开发平台改进了软件系统，实现了相位提取算法、表面重构算法的重构，及微分干涉自动检测系统需求的全部7个功能，并设计了用户友好的GUI，最终封装成处理数据迅速且控制便捷的独立可执行文件，可以满足在不同计算机上的应用。

目录

第1章 绪 论

1.1 项目背景

1.2 研究的背景与意义

1.3 表面形貌检测概述

1.4 本论文主要研究内容

第2章 微分干涉自动检测系统的原理与构成

2.1 微分干涉自动检测系统的原理

2.2 微分干涉自动检测系统的设计

2.3 本章小结

第3章 硬件系统的改进与实验

3.1 硬件系统构成

3.2 照明系统的改进与对比实验

3.3 图像采集单元的改进与对比实验

3.4 双远心镜头的设计

3.5 自动化控制系统的设计与改进

3.6 本章小结

第4章 软件系统的改进与实验

4.1 软件系统重构的意义

4.2 软件系统重构的过程

4.3 算法的重构实现

4.4 软件系统新功能的实现

4.5 全部功能描述与GUI设计

4.6 本章小结

第5章 工程化样机的实验与研制

5.1 同轴系统设计

5.2 光学器件的实验标定

5.3 同轴系统的准确性验证实验

5.4 研制同轴系统的工程化样机

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果

声明

致谢