[發明專利]一種螺旋掃描式表面形貌測量的等間隔采樣方法

在審

• 申請號: 202110723472.X
• 申請日: 2021-06-29
• 公開（公告）號: CN113514004A
• 公開（公告）日: 2021-10-19
• 發明（設計）人: 黃軍;崔玉國;汪家樂;應榮輝;任志勝
• 申請（專利權）人: 寧波大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 寧波市天晟知識產權代理有限公司 33219
• 代理人: 王美榮;黃曉凡

本發明公開了一種螺旋掃描式表面形貌測量的等間隔采樣方法，包括y向直線平臺、x向直線平臺、z向旋轉平臺、z向直線平臺、激光差動共焦測頭，還公開了應用此設備的第一至第六步驟。與現有技術相比，本發明的一種螺旋掃描式表面形貌測量的等間隔采樣方法的優點是：1)通過等間隔采樣方法，使螺旋線上采樣點都分布均勻，每一圈螺旋線便無需那么多采樣點，便可使采樣點的數量大大減少，使采樣數據大大減少，從而使采樣數據占用計算機內存少；2)等間隔采樣法在三位形貌成像結果都不失真的情況下，等間隔采樣法采樣點的數目比等時采樣法采樣點的數目要少，便可使計算機三維形貌成像時處理的數據要少，從而使三維形貌成像所花的時間要少。

技術領域

本發明屬于精密測量技術領域，涉及螺旋掃描測量方法，特別涉及一種螺旋掃描式表面形貌測量的等間隔采樣方法。

背景技術

近年來，隨著超精密加工技術、微細加工技術的不斷進步，具有精密表面的零部件，如精密機械零件，以及具有微觀結構表面的元器件、集成電路，如微透鏡陣列、微反射鏡陣列、光柵、超大規模集成電路等不斷涌現。試件的表面形貌不僅體現其表面的外在特征，也反映其內在性能。如，機械零件加工后所形成的表面形貌特征既影響表面的摩擦磨損、接觸剛度、疲勞強度、配合性質以及系統的傳動精度等機械性能，又影響傳熱性、導電性、抗腐蝕性等物理性能；用于制作集成電路的硅片表面粗糙度對電路中薄膜電阻和薄膜電容的影響非常顯著，進而電路的性能、成品率；通過多次光刻、腐蝕方法制作的光學元件表面以及通過微機械加工技術制作的微機械結構表面等，均會影響試件的使用性能。

目前，在測量試件表面三維形貌時，形貌z向坐標是靠顯微鏡測頭獲得，x向和y向坐標大多是采用柵格式掃描方式(如圖1所示)獲得，這種掃描方式在后續出數據比較方便，但是移動平臺在進行柵格式掃描時，每掃描一條柵格式都要進行相應的加速、勻速和減速運動(如圖2所示)，因此柵格式掃描頻繁的加減速運動勢必使測量時間變長，進而使測量結果易受干擾以及噪聲的影響；并且，每進行下一條柵格線的掃描，移動平臺都要反向移動，這就產生了反向運動誤差，近而使試件表面形貌測量精度下降。為避免柵格式掃描中的頻繁加減速以及反向間隙誤差，提高試件表面三維形貌的測量速度與精度，可采用螺旋式掃描方法，即被測試件同時做直線與旋轉運動，據此形成螺旋線(如圖2所示)來獲得被測試件表面三維形貌中的平面極坐標(即r、坐標)。但通過螺旋式掃描來實現試件表面三維形貌精密測量的關鍵之一是控制每個采樣點的間隔相等。在使用螺旋掃描方式測量試件三維形貌時，設置測量試件表面采樣點間隔時，大都采用等時采樣方式，即(如圖3所示)來獲得被測試件表面采樣點，這種采樣方式在經過直線速度、加速度和旋轉速度、加速度匹配后，雖然采樣點在試件表面的分布能夠很好的反映被測表面形貌，但是采樣點云圖在靠近中心部分非常密集(如圖4所示)，這會導致數據冗余，增加了數據處理的時間。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的現狀，而提供能降低后續數據處理復雜程度，減少三維成像的時間的一種螺旋掃描式表面形貌測量的等間隔采樣方法。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為：一種螺旋掃描式表面形貌測量的等間隔采樣方法，包括設置在y向直線平臺上的x向直線平臺，x向直線平臺上設有z向旋轉平臺，z向旋轉平臺的上方懸設有z向直線平臺，z向直線平臺上固定有激光差動共焦測頭；本發明為避免等時采樣方式的中心部位數據冗余導致的占用電腦內存大和數據處理時間長導致的三維成像速度慢，而采用螺旋掃描方式等間隔采樣方法，即被測試件表面螺旋線上每兩個采樣點的間隔相等，據此形成等間隔采樣方式采樣點分布云圖(如圖5所示)。

還包括如下步驟：

第一步，對具體測量試件進行試測后確定一個合適的徑向采樣間隔Δd，并且徑向采樣間隔Δd要與螺旋掃描螺旋線最外圈的采樣間隔等距；

第二步，根據螺旋掃描螺旋線最外圈的采樣間隔確定差動共焦測頭9的采樣頻率f_s；

第三步，根據采樣頻率f_s求得螺旋線每一圈的弧長s_n；