一種制造表面粗糙度影響激光測量性能的試驗裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種制造表面粗糙度影響激光測量性能試驗裝置及方法，本裝置利用標準80m長導軌來實現大距離測量，由激光干涉儀定位系統實現激光與物質表面的距離定位，光源為多波段可調，可為單色光源，亦可為多色光源，可滿足不同波段以及調頻連續波激光對表面散射特性影響研究的需要，光源后放置激光聚焦系統，可調整激光聚焦光斑直徑大小，來滿足激光光斑大小對散射光影響研究的需要，放置目標的雙軸旋轉系統及夾具采用防誤差設計，能提高測量效率及測量精度，放置接收探測器的四分之一圓弧導軌設計能實現反射接收角的變化。該系統測量功能廣泛，測量精度高、效率高，能實現遠距離測量，對激光與物質表面相互作用影響的研究具有重要意義。
【專利說明】一種制造表面粗糙度影響激光測量性能的試驗裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光輻射測量裝置，尤其涉及一種制造表面粗糙度影響激光測量性能的試驗裝置及方法。
【背景技術】
[0002]在實際工程應用中，被測目標表面通常都是非理想朗伯表面，即表面發生漫反射，需要考慮復雜的多次反射現象，因此研究目標表面的散射特性顯得尤為重要，例如:若已知光譜雙向反射分布函數，則可以推導出方向光譜吸收率及方向光譜反射率，因此，光譜雙向反射分布函數是體現物質表面輻射傳遞的重要參數，在很多領域得到應用，如在航天遙感領域、工業測量領域、地質測量以及目標的仿真和模擬領域，均需要進行表面材料散射特性的檢測，實現對目標表面散射特性的精確測量是眾多研究領域的重要研究基礎。
[0003]在遙感探測領域，可利用目標對光的散射來分析識別目標的形態及特征；激光雷達回波中包含了很多目標及背景信息，人們可以從獲得的復雜信息中提取有用信息；在工業測量領域，隨著大空間精密坐標測量方面日益增長的重大需求，實現無合作目標非接觸式測量，已成為一個重要研究課題，傳統的干涉法和由其衍生出的激光跟蹤測量方式雖然精度高，但需要反射棱鏡或者貓眼等合作目標輔助，經常在現場無法實現；近年來發展起來的連續激光調頻測距技術是一種新型激光測距技術，可進行無合作目標測量、測量范圍大、精度高，具有顯著的優點，但該方法目前還不成熟，一些關鍵瓶頸尚未解決，其中一個關鍵問題便是激光直接入射到被測制造表面后，表面對激光測量性能的影響。在有合作目標的情況下，由于目標表面特性是一定且已知的，因此接收到的回波信號也是穩定且可以預知的，這也是有合作目標的測距系統精度高的重要原因；對于無合作目標的測距系統而言，激光照射到的目標表面未知且千差萬別，被測制造表面的粗糙度、顏色、紋理等都會影響接收到的激光的強度、相位、偏振態等信息，激光入射的角度、激光聚焦光斑大小也會影響接收的散射信號。
[0004]雖然在物理界已經發展了一些物理模型來描述粗糙目標的散射特性，但均是在將問題簡化以及將目標理想化的前提下進行建模，而在實際應用當中，基于理想模型的計算勢必會產生誤差，不能滿足高精度要求，而粗糙表面真實的散射特性卻能反映表面幾何特征之外的唯一特性，每種表面所產生的散射信息是唯一確定的，因此測量并研究激光與實際制造粗糙表面的相互作用影響對測量設備的優化和測量精度的提高均具有重要指導意義，也是眾多研究領域的研究基礎。
[0005]傳統的散射測量裝置功能較單一，均不能滿足研究激光與表面相互作用的多方面測量的需要，例如現有的雙向反射分布函數測量裝置僅能測量近距離表面的散射特性，對于大距離，激光在空氣中的能量衰減，以及聚焦光斑直徑大小對散射的影響等均不能測量，現有的其他一些表面散射測量裝置也普遍存在功能單一、測量距離近、定位精度低、測量誤差大等缺陷。
【發明內容】
[0006]本發明提供了一種制造表面粗糙度影響激光測量性能的試驗裝置及方法，本發明實現了遠距離表面的散射特性測量，提高了測量精度和測量周期，詳見下文描述:
[0007]—種制造表面粗糙度影響激光測量性能的試驗裝置，所述試驗裝置包括:標準長導軌、光源、激光聚焦系統、載物平臺、水平旋轉臺、垂直旋轉臺、樣品夾具、連接桿、四分之一圓弧滑動導軌、接收探測器、激光干涉儀發射端、激光干涉儀接收端和PC機，
[0008]所述光源、所述激光聚焦系統及所述激光干涉儀發射端固定在所述標準長導軌的一端，由所述水平旋轉臺和所述垂直旋轉臺組成雙軸旋轉系統、所述接收探測器及所述激光干涉儀接收端固定在由激光干涉儀控制的所述載物平臺上，在所述標準長導軌上自由移動，所述樣品夾具安裝在所述垂直旋轉臺的軸心上，安裝所述接收探測器的所述四分之一圓弧滑動導軌通過所述連接桿安裝在所述垂直旋轉臺上，隨所述垂直旋轉臺的轉動而轉動，所述水平旋轉臺、所述垂直旋轉臺、所述載物平臺的位移、所述接收探測器在所述四分之一圓弧滑動導軌上的移動均由所述PC機統一控制。
[0009]所述光源為多波段可調光源，包括:可見光光源400nm?800nm、近紅外光光源800nm?2500nm及紅外光光源2500nm?5000nm。
[0010]所述水平旋轉臺和所述垂直旋轉臺的渦輪為細節距渦輪，所述水平旋轉臺和所述垂直旋轉臺上的游標尺分辨率為5弧分。
[0011]一種制造表面粗糙度影響激光測量性能的試驗方法，所述方法包括以下步驟:
[0012]I)將樣品放置在樣品夾具中，使樣品表面與樣品夾具的端面貼合；
[0013]2)設定光源入射角度、入射光斑大小、所述光源與樣品待測表面的距離及移動間距；
[0014]3)保持上述設定的入射角度，在待測位置測量表面空間散射光能量，由垂直旋轉臺在360°范圍內的旋轉來改變接收方位角，由接收探測器在四分之一圓弧滑動導軌上的移動來接收不同反射角的光能量；
[0015]4)測量完上述待測位置的光能量后，仍保持所述光源的入射角度不變，按照步驟
2)設定的移動間距移動到下一個位置，按照步驟3)測量完該位置的光能量，再移動到下一個設定位置，重復步驟3)、4)，直至測量完所有設定距離的光能量；
[0016]完成上述測量后，再改變所述光源的入射角度，重復步驟3)、4)，以完成不同入射角度時的測量。
[0017]本發明提供的技術方案的有益效果是:本系統利用標準80m長導軌來實現大距離測量，利用激光干涉儀定位系統實現激光與物質表面的距離定位，光源為多波段可調，可為單色光源，亦可為多色光源，可滿足不同波段以及調頻連續波激光對表面散射特性影響研究的需要，發射出來的光源經過激光聚焦系統，可通過調節激光聚焦系統來調整激光聚焦光斑直徑大小，來滿足激光光斑直徑大小對散射光影響研究的需要，放置待測表面的雙軸旋轉系統及樣品夾具采用防誤差設計，能提高測量效率及測量精度，放置接收探測器的四分之一圓弧導軌設計能實現表面空間散射光的測量。本發明測量精度高、效率高，能實現大距離測量，測量功能多，能完成待測表面半球空間光散射的測量及激光聚焦光斑大小對表面散射的影響測量，入射光遠距離傳輸后的能量衰減也可以由本裝置測得，本發明可廣泛應用于需要研究激光與表面相互作用影響的材料特性與目標仿真領域、遙感探測領域、地質測量領域、工業大尺寸無合作目標測量等領域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為制造表面粗糙度影響激光測量性能的試驗裝置的結構示意圖；
[0019]圖2為制造表面粗糙度影響激光測量性能的試驗裝置的框圖；
[0020]圖3為樣品夾具設計圖；
[0021]圖4為測量過程示意圖；
[0022]圖5為粗糙度樣塊空間散射光能量分布(Rfl = 0.8μηι，Θ.= 30°, =0.);
[0023]圖6為粗糙度樣塊空間散射光能量分布(?^ = 0_8μηι，= 30°, (Pi =90。)。
[0024]附圖中，各標號所代表的部件列表如下:
[0025]l-80m標準長導軌，2_光源，3_激光聚焦系統，4_載物平臺，5_水平旋轉臺，6_垂直旋轉臺，7-樣品夾具，8-連接桿，9-四分之一圓弧滑動導軌，10-接收探測器，11-激光干涉儀發射端，12-激光干涉儀接收端,13-PC機；A-發射模塊、B-載物平臺模塊、C-接收模塊及D-電控模塊。
【具體實施方式】 [0026]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
[0027]參見圖1和圖2，該制造表面粗糙度影響激光測量性能的試驗裝置包括:標準長導軌1、光源2、激光聚焦系統3、載物平臺4、水平旋轉臺5、垂直旋轉臺6、樣品夾具7、連接桿8、四分之一圓弧滑動導軌9、接收探測器10、激光干涉儀發射端11、激光干涉儀接收端12，
[0028]光源2、激光聚焦系統3及激光干涉儀發射端11固定在標準長導軌I的一端，由水平旋轉臺5和垂直旋轉臺6組成雙軸旋轉系統、接收探測器10及激光干涉儀接收端12固定在由激光干涉儀控制的載物平臺4上，可在標準長導軌I上自由移動，樣品夾具7安裝在垂直旋轉臺6的軸心上，安裝接收探測器10的四分之一圓弧滑動導軌9通過連接桿8安裝在垂直旋轉臺6上，隨垂直旋轉臺6的轉動而轉動，水平旋轉臺5、垂直旋轉臺6、載物平臺4的位移、接收探測器10在四分之一圓弧滑動導軌9上的移動均由PC機13統一控制。
[0029]其中，標準長導軌I為80m長，載物平臺4可以在標準長導軌I上自由移動，由激光干涉儀進行精確定位。
[0030]本發明實施例通過將激光干涉儀發射端11固定在標準長導軌I的一端，將激光干涉儀接收端12固定在載物平臺4上，即可通過激光干涉儀實現對載物平臺4在標準長導軌I上的精確移動定位。
[0031]參見圖2，整體由四個模塊組成:發射模塊A、載物平臺模塊B、接收模塊C及電控模塊D。發射模塊I由光源2和激光聚焦系統3組成；載物平臺模塊B由載物平臺4、標準長導軌I和雙軸旋轉系統(水平旋轉臺5和垂直旋轉臺6組成)組成，載物平臺4作為移動平臺，實現待測表面空間位姿的雙軸旋轉系統固定在載物平臺4上，通過激光干涉儀進行定位；接收模塊C由接收探測器10和四分之一圓弧滑動導軌9組成，結合雙軸旋轉系統完成空間光散射能量的測量，實現整個測量系統自動化操作的電控模塊D由PC機13統一控制。
[0032]具體實現時，光源2為多波段可調光源，包括:可見光光源400nm?800nm、近紅外光光源800nm?2500nm及紅外光光源2500nm?5000nm，此外，光源2亦可為調頻連續波光源，可滿足多色光與表面相互作用影響的研究測量需要。激光聚焦系統3可以有效控制和選擇出射激光光斑直徑的大小，由針孔光闌進行調節。
[0033]其中，參見圖3，樣品夾具7安裝在垂直旋轉臺6的軸心上，樣品夾具7的端面與水平旋轉臺5的垂直軸線重合，以實現樣品空間位姿的任意轉換。水平旋轉臺5和垂直旋轉臺6的渦輪為細節距渦輪，由直流伺服電機控制蝸桿帶動渦輪在360°范圍內轉動，蝸桿與固定在電機上的減速器軸相連接，水平旋轉臺5和垂直旋轉臺6上的游標尺分辨率為5弧分。
[0034]參見圖3，進一步地，樣品夾具7采用防誤差設計，即樣品槽有一定寬度，可適應不同厚度的樣品，測量時只需將樣品表面貼合夾具端面，無需其他位置調整，可保證無論雙軸系統如何旋轉，光源2始終入射在樣品中心上，節省了整體測量時間。
[0035]其中，接收探測器10安裝在四分之一圓弧滑動導軌9上，接收探測器10可以根據測量需求進行更換，比如可以為光電探測器、光功率探測器或光亮度探測器等。
[0036]四分之一圓弧滑動導軌9，采用標準圓弧設計，圓心與雙軸旋轉系統兩軸線的交點重合，其導軌面為渦輪輪齒型，通過電動蝸桿驅動渦輪輪齒轉動，從而實現接收探測器10在四分之一圓弧滑動導軌9上的移動，以接收不同反射角的光能量，接收探測器10在四分之一圓弧導軌9上有0°到90°的移動范圍。
[0037]連接桿8和四分之一圓弧導軌9與垂直旋轉臺6相連，固定在垂直旋轉臺6上，隨垂直旋轉臺6的轉動而轉動，從而改變接收方位角，連接桿8的長度和四分之一圓弧導軌9可以根據測量需求進行不同的尺寸設計，只需固定在垂直旋轉臺6上即可。
[0038]本發明提供的制造表面粗糙度影響激光測量性能的試驗方法包括以下步驟:
[0039]I)將樣品放置在樣品夾具7中，使樣品表面與樣品夾具7的端面貼合；
[0040]2)設定光源2入射角度、入射光斑大小、光源2與樣品待測表面的距離及移動間距；
[0041]3)保持上述設定的入射角度，在待測位置測量表面空間散射光能量，由垂直旋轉臺6在360°范圍內的旋轉來改變接收方位角，由接收探測器10在四分之一圓弧滑動導軌9上的移動來接收不同反射角的光能量；
[0042]4)測量完上述待測位置的光能量后，仍保持光源2的入射角度不變，按照步驟2設定的移動間距移動到下一個位置，按照步驟3測量完該位置的光能量，再移動到下一個設定位置，重復步驟3)、4)，直至測量完所有設定距離的光能量；
[0043]完成上述測量后，再改變光源2入射角度，這樣可以最大限度的降低由水平旋轉臺5的旋轉而引入的徑向跳動誤差，從而降低測量誤差，重復步驟3)、4)，以完成不同入射角度時的測量。
[0044]若需要改變光斑大小，則調整激光聚焦系統3，令不同直徑大小的光斑入射在被測表面上，通過雙軸旋轉系統的旋轉和接收探測器10在四分之一圓弧滑動導軌9上的移動來完成空間散射光能量的測量。
[0045]下面結合測量過程示意圖4對具體的測量方法做詳細說明。這里以數據采集量最大的變距離空間散射光能量測量方案為例，其它測量功能可摘取本測量方案的部分步驟來實現。
[0046]I)首先需開啟光源2預熱20分鐘，將待測樣品按要求安裝在樣品夾具7中，使樣品表面與樣品夾具7的端面緊密貼合。
[0047]2)設定激光入射角度、聚焦光斑大小，由PC機13控制水平旋轉臺5的旋轉來改變激光入射角度，本實施例中初始入射角設為0°，光源2與待測樣品表面的距離設為5m，由激光干涉儀定位系統帶動載物平臺4移動到指定位置。
[0048]3)開始測量，由接收探測器10在四分之一圓弧滑動導軌9上的移動來接收不同反射角的光能量，測完后，由PC機13控制垂直旋轉臺6的旋轉來改變接收方位角，本實施例設為5°，再由接收探測器10在四分之一圓弧滑動導軌9上的移動來接收該方位角下不同反射角的光能量。
[0049]4)重復步驟3)，直至垂直旋轉臺6轉過360°，即測量完半球空間內的散射光能量。
[0050]5)完成步驟4)后，由激光干涉儀上位機控制軟件設定下一個測量位置，本實施例為 10m。
[0051]6)重復步驟3)、4)、5)，直至測量完所要測量的距離。改變光源入射角度，由水平旋轉臺5中的上位機控制軟件設定角度步進為5°。 [0052]7)重復步驟2)、3)、4)、5)、6)，直至測量完不同入射角度下、不同距離時表面的半球空間散射光能量。
[0053]上述測量中，在改變入射距離時，保持光源2的入射角度不變，如圖4所示，這樣可以最大限度的降低由水平旋轉臺5的旋轉而引入的徑向跳動誤差，從而降低測量誤差。若需要改變光斑大小，則調整激光聚焦系統3，令不同直徑大小的光斑入射在被測表面上，選取步驟2)、3)、4)來完成測量。圖5、圖6為粗糙度樣塊空間散射光能量分布測量結果圖。圖中樣塊粗糙度為0.8 μ m，加工方式為刨床，測量結果為半球空間內的采集數據，由于每個采集點的坐標是關于天頂角和方位角的空間球坐標，所以需轉換成笛卡爾坐標來實現曲面擬合。圖5為入射角度= ，入射方位角只=()?時的測量結果，圖6為入射角度Qi =
30°，入射方位角奶=90°時的測量結果，從圖中可以看出，當入射角度相同，而入射方位角
不同時會得到不同的散射光能量分布，散射光峰值位置和能量分布形狀均發生了變化。
[0054]本發明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
[0055]本領域技術人員可以理解附圖只是一個優選實施例的示意圖，上述本發明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。
[0056]以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種制造表面粗糙度影響激光測量性能的試驗裝置，其特征在于，所述試驗裝置包括:標準長導軌、光源、激光聚焦系統、載物平臺、水平旋轉臺、垂直旋轉臺、樣品夾具、連接桿、四分之一圓弧滑動導軌、接收探測器、激光干涉儀發射端、激光干涉儀接收端和PC機， 所述光源、所述激光聚焦系統及所述激光干涉儀發射端固定在所述標準長導軌的一端，由所述水平旋轉臺和所述垂直旋轉臺組成雙軸旋轉系統、所述接收探測器及所述激光干涉儀接收端固定在由激光干涉儀控制的所述載物平臺上，在所述標準長導軌上自由移動，所述樣品夾具安裝在所述垂直旋轉臺的軸心上，安裝所述接收探測器的所述四分之一圓弧滑動導軌通過所述連接桿安裝在所述垂直旋轉臺上，隨所述垂直旋轉臺的轉動而轉動，所述水平旋轉臺、所述垂直旋轉臺、所述載物平臺的位移、所述接收探測器在所述四分之一圓弧滑動導軌上的移動均由所述PC機統一控制。
2.根據權利要求1所述的一種制造表面粗糙度影響激光測量性能的試驗裝置，其特征在于，所述光源為多波段可調光源，包括:可見光光源400nm?800nm、近紅外光光源800nm?2500nm及紅外光光源2500nm?5000nm。
3.根據權利要求1所述的一種制造表面粗糙度影響激光測量性能的試驗裝置，其特征在于，所述水平旋轉臺和所述垂直旋轉臺的渦輪為細節距渦輪，所述水平旋轉臺和所述垂直旋轉臺上的游標尺分辨率為5弧分。
4.一種制造表面粗糙度影響激光測量性能的試驗方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 1)將樣品放置在樣品夾具中，使樣品表面與樣品夾具的端面貼合； 2)設定光源入射角度、入射光斑大小、所述光源與樣品待測表面的距離及移動間距； 3)保持上述設定的入射角度，在待測位置測量表面空間散射光能量，由垂直旋轉臺在360°范圍內的旋轉來改變接收方位角，由接收探測器在四分之一圓弧滑動導軌上的移動來接收不同反射角的光能量； 4)測量完上述待測位置的光能量后，仍保持所述光源的入射角度不變，按照步驟2)設定的移動間距移動到下一個位置，按照步驟3)測量完該位置的光能量，再移動到下一個設定位置，重復步驟3)、4)，直至測量完所有設定距離的光能量； 完成上述測量后，再改變所述光源的入射角度，重復步驟3)、4)，以完成不同入射角度時的測量。
【文檔編號】G01N21/47GK104034697SQ201410294148
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月25日 優先權日:2014年6月25日
【發明者】陶會榮, 張福民, 曲興華 申請人:天津大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
