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一种制造表面粗糙度影响激光测量性能的试验装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种制造表面粗糙度影响激光测量性能试验装置及方法，本装置利用标准80m长导轨来实现大距离测量，由激光干涉仪定位系统实现激光与物质表面的距离定位，光源为多波段可调，可为单色光源，亦可为多色光源，可满足不同波段以及调频连续波激光对表面散射特性影响研究的需要，光源后放置激光聚焦系统，可调整激光聚焦光斑直径大小，来满足激光光斑大小对散射光影响研究的需要，放置目标的双轴旋转系统及夹具采用防误差设计，能提高测量效率及测量精度，放置接收探测器的四分之一圆弧导轨设计能实现反射接收角的变化。该系统测量功能广泛，测量精度高、效率高，能实现远距离测量，对激光与物质表面相互作用影响的研究具有重要意义。
【专利说明】一种制造表面粗糙度影响激光测量性能的试验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光辐射测量装置，尤其涉及一种制造表面粗糙度影响激光测量性能的试验装置及方法。
【背景技术】
[0002]在实际工程应用中，被测目标表面通常都是非理想朗伯表面，即表面发生漫反射，需要考虑复杂的多次反射现象，因此研究目标表面的散射特性显得尤为重要，例如:若已知光谱双向反射分布函数，则可以推导出方向光谱吸收率及方向光谱反射率，因此，光谱双向反射分布函数是体现物质表面辐射传递的重要参数，在很多领域得到应用，如在航天遥感领域、工业测量领域、地质测量以及目标的仿真和模拟领域，均需要进行表面材料散射特性的检测，实现对目标表面散射特性的精确测量是众多研究领域的重要研究基础。
[0003]在遥感探测领域，可利用目标对光的散射来分析识别目标的形态及特征；激光雷达回波中包含了很多目标及背景信息，人们可以从获得的复杂信息中提取有用信息；在工业测量领域，随着大空间精密坐标测量方面日益增长的重大需求，实现无合作目标非接触式测量，已成为一个重要研究课题，传统的干涉法和由其衍生出的激光跟踪测量方式虽然精度高，但需要反射棱镜或者猫眼等合作目标辅助，经常在现场无法实现；近年来发展起来的连续激光调频测距技术是一种新型激光测距技术，可进行无合作目标测量、测量范围大、精度高，具有显著的优点，但该方法目前还不成熟，一些关键瓶颈尚未解决，其中一个关键问题便是激光直接入射到被测制造表面后，表面对激光测量性能的影响。在有合作目标的情况下，由于目标表面特性是一定且已知的，因此接收到的回波信号也是稳定且可以预知的，这也是有合作目标的测距系统精度高的重要原因；对于无合作目标的测距系统而言，激光照射到的目标表面未知且千差万别，被测制造表面的粗糙度、颜色、纹理等都会影响接收到的激光的强度、相位、偏振态等信息，激光入射的角度、激光聚焦光斑大小也会影响接收的散射信号。
[0004]虽然在物理界已经发展了一些物理模型来描述粗糙目标的散射特性，但均是在将问题简化以及将目标理想化的前提下进行建模，而在实际应用当中，基于理想模型的计算势必会产生误差，不能满足高精度要求，而粗糙表面真实的散射特性却能反映表面几何特征之外的唯一特性，每种表面所产生的散射信息是唯一确定的，因此测量并研究激光与实际制造粗糙表面的相互作用影响对测量设备的优化和测量精度的提高均具有重要指导意义，也是众多研究领域的研究基础。
[0005]传统的散射测量装置功能较单一，均不能满足研究激光与表面相互作用的多方面测量的需要，例如现有的双向反射分布函数测量装置仅能测量近距离表面的散射特性，对于大距离，激光在空气中的能量衰减，以及聚焦光斑直径大小对散射的影响等均不能测量，现有的其他一些表面散射测量装置也普遍存在功能单一、测量距离近、定位精度低、测量误差大等缺陷。
【发明内容】

[0006]本发明提供了一种制造表面粗糙度影响激光测量性能的试验装置及方法，本发明实现了远距离表面的散射特性测量，提高了测量精度和测量周期，详见下文描述:
[0007]—种制造表面粗糙度影响激光测量性能的试验装置，所述试验装置包括:标准长导轨、光源、激光聚焦系统、载物平台、水平旋转台、垂直旋转台、样品夹具、连接杆、四分之一圆弧滑动导轨、接收探测器、激光干涉仪发射端、激光干涉仪接收端和PC机，
[0008]所述光源、所述激光聚焦系统及所述激光干涉仪发射端固定在所述标准长导轨的一端，由所述水平旋转台和所述垂直旋转台组成双轴旋转系统、所述接收探测器及所述激光干涉仪接收端固定在由激光干涉仪控制的所述载物平台上，在所述标准长导轨上自由移动，所述样品夹具安装在所述垂直旋转台的轴心上，安装所述接收探测器的所述四分之一圆弧滑动导轨通过所述连接杆安装在所述垂直旋转台上，随所述垂直旋转台的转动而转动，所述水平旋转台、所述垂直旋转台、所述载物平台的位移、所述接收探测器在所述四分之一圆弧滑动导轨上的移动均由所述PC机统一控制。
[0009]所述光源为多波段可调光源，包括:可见光光源400nm?800nm、近红外光光源800nm?2500nm及红外光光源2500nm?5000nm。
[0010]所述水平旋转台和所述垂直旋转台的涡轮为细节距涡轮，所述水平旋转台和所述垂直旋转台上的游标尺分辨率为5弧分。
[0011]一种制造表面粗糙度影响激光测量性能的试验方法，所述方法包括以下步骤:
[0012]I)将样品放置在样品夹具中，使样品表面与样品夹具的端面贴合；
[0013]2)设定光源入射角度、入射光斑大小、所述光源与样品待测表面的距离及移动间距；
[0014]3)保持上述设定的入射角度，在待测位置测量表面空间散射光能量，由垂直旋转台在360°范围内的旋转来改变接收方位角，由接收探测器在四分之一圆弧滑动导轨上的移动来接收不同反射角的光能量；
[0015]4)测量完上述待测位置的光能量后，仍保持所述光源的入射角度不变，按照步骤
2)设定的移动间距移动到下一个位置，按照步骤3)测量完该位置的光能量，再移动到下一个设定位置，重复步骤3)、4)，直至测量完所有设定距离的光能量；
[0016]完成上述测量后，再改变所述光源的入射角度，重复步骤3)、4)，以完成不同入射角度时的测量。
[0017]本发明提供的技术方案的有益效果是:本系统利用标准80m长导轨来实现大距离测量，利用激光干涉仪定位系统实现激光与物质表面的距离定位，光源为多波段可调，可为单色光源，亦可为多色光源，可满足不同波段以及调频连续波激光对表面散射特性影响研究的需要，发射出来的光源经过激光聚焦系统，可通过调节激光聚焦系统来调整激光聚焦光斑直径大小，来满足激光光斑直径大小对散射光影响研究的需要，放置待测表面的双轴旋转系统及样品夹具采用防误差设计，能提高测量效率及测量精度，放置接收探测器的四分之一圆弧导轨设计能实现表面空间散射光的测量。本发明测量精度高、效率高，能实现大距离测量，测量功能多，能完成待测表面半球空间光散射的测量及激光聚焦光斑大小对表面散射的影响测量，入射光远距离传输后的能量衰减也可以由本装置测得，本发明可广泛应用于需要研究激光与表面相互作用影响的材料特性与目标仿真领域、遥感探测领域、地质测量领域、工业大尺寸无合作目标测量等领域。
【专利附图】

【附图说明】
[0018]图1为制造表面粗糙度影响激光测量性能的试验装置的结构示意图；
[0019]图2为制造表面粗糙度影响激光测量性能的试验装置的框图；
[0020]图3为样品夹具设计图；
[0021]图4为测量过程示意图；
[0022]图5为粗糙度样块空间散射光能量分布(Rfl = 0.8μηι，Θ.= 30°, =0.);
[0023]图6为粗糙度样块空间散射光能量分布(?^ = 0_8μηι，= 30°, (Pi =90。)。
[0024]附图中，各标号所代表的部件列表如下:
[0025]l-80m标准长导轨，2_光源，3_激光聚焦系统，4_载物平台，5_水平旋转台，6_垂直旋转台，7-样品夹具，8-连接杆，9-四分之一圆弧滑动导轨，10-接收探测器，11-激光干涉仪发射端，12-激光干涉仪接收端,13-PC机；A-发射模块、B-载物平台模块、C-接收模块及D-电控模块。
【具体实施方式】 [0026]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0027]参见图1和图2，该制造表面粗糙度影响激光测量性能的试验装置包括:标准长导轨1、光源2、激光聚焦系统3、载物平台4、水平旋转台5、垂直旋转台6、样品夹具7、连接杆8、四分之一圆弧滑动导轨9、接收探测器10、激光干涉仪发射端11、激光干涉仪接收端12，
[0028]光源2、激光聚焦系统3及激光干涉仪发射端11固定在标准长导轨I的一端，由水平旋转台5和垂直旋转台6组成双轴旋转系统、接收探测器10及激光干涉仪接收端12固定在由激光干涉仪控制的载物平台4上，可在标准长导轨I上自由移动，样品夹具7安装在垂直旋转台6的轴心上，安装接收探测器10的四分之一圆弧滑动导轨9通过连接杆8安装在垂直旋转台6上，随垂直旋转台6的转动而转动，水平旋转台5、垂直旋转台6、载物平台4的位移、接收探测器10在四分之一圆弧滑动导轨9上的移动均由PC机13统一控制。
[0029]其中，标准长导轨I为80m长，载物平台4可以在标准长导轨I上自由移动，由激光干涉仪进行精确定位。
[0030]本发明实施例通过将激光干涉仪发射端11固定在标准长导轨I的一端，将激光干涉仪接收端12固定在载物平台4上，即可通过激光干涉仪实现对载物平台4在标准长导轨I上的精确移动定位。
[0031]参见图2，整体由四个模块组成:发射模块A、载物平台模块B、接收模块C及电控模块D。发射模块I由光源2和激光聚焦系统3组成；载物平台模块B由载物平台4、标准长导轨I和双轴旋转系统(水平旋转台5和垂直旋转台6组成)组成，载物平台4作为移动平台，实现待测表面空间位姿的双轴旋转系统固定在载物平台4上，通过激光干涉仪进行定位；接收模块C由接收探测器10和四分之一圆弧滑动导轨9组成，结合双轴旋转系统完成空间光散射能量的测量，实现整个测量系统自动化操作的电控模块D由PC机13统一控制。
[0032]具体实现时，光源2为多波段可调光源，包括:可见光光源400nm?800nm、近红外光光源800nm?2500nm及红外光光源2500nm?5000nm，此外，光源2亦可为调频连续波光源，可满足多色光与表面相互作用影响的研究测量需要。激光聚焦系统3可以有效控制和选择出射激光光斑直径的大小，由针孔光阑进行调节。
[0033]其中，参见图3，样品夹具7安装在垂直旋转台6的轴心上，样品夹具7的端面与水平旋转台5的垂直轴线重合，以实现样品空间位姿的任意转换。水平旋转台5和垂直旋转台6的涡轮为细节距涡轮，由直流伺服电机控制蜗杆带动涡轮在360°范围内转动，蜗杆与固定在电机上的减速器轴相连接，水平旋转台5和垂直旋转台6上的游标尺分辨率为5弧分。
[0034]参见图3，进一步地，样品夹具7采用防误差设计，即样品槽有一定宽度，可适应不同厚度的样品，测量时只需将样品表面贴合夹具端面，无需其他位置调整，可保证无论双轴系统如何旋转，光源2始终入射在样品中心上，节省了整体测量时间。
[0035]其中，接收探测器10安装在四分之一圆弧滑动导轨9上，接收探测器10可以根据测量需求进行更换，比如可以为光电探测器、光功率探测器或光亮度探测器等。
[0036]四分之一圆弧滑动导轨9，采用标准圆弧设计，圆心与双轴旋转系统两轴线的交点重合，其导轨面为涡轮轮齿型，通过电动蜗杆驱动涡轮轮齿转动，从而实现接收探测器10在四分之一圆弧滑动导轨9上的移动，以接收不同反射角的光能量，接收探测器10在四分之一圆弧导轨9上有0°到90°的移动范围。
[0037]连接杆8和四分之一圆弧导轨9与垂直旋转台6相连，固定在垂直旋转台6上，随垂直旋转台6的转动而转动，从而改变接收方位角，连接杆8的长度和四分之一圆弧导轨9可以根据测量需求进行不同的尺寸设计，只需固定在垂直旋转台6上即可。
[0038]本发明提供的制造表面粗糙度影响激光测量性能的试验方法包括以下步骤:
[0039]I)将样品放置在样品夹具7中，使样品表面与样品夹具7的端面贴合；
[0040]2)设定光源2入射角度、入射光斑大小、光源2与样品待测表面的距离及移动间距；
[0041]3)保持上述设定的入射角度，在待测位置测量表面空间散射光能量，由垂直旋转台6在360°范围内的旋转来改变接收方位角，由接收探测器10在四分之一圆弧滑动导轨9上的移动来接收不同反射角的光能量；
[0042]4)测量完上述待测位置的光能量后，仍保持光源2的入射角度不变，按照步骤2设定的移动间距移动到下一个位置，按照步骤3测量完该位置的光能量，再移动到下一个设定位置，重复步骤3)、4)，直至测量完所有设定距离的光能量；
[0043]完成上述测量后，再改变光源2入射角度，这样可以最大限度的降低由水平旋转台5的旋转而引入的径向跳动误差，从而降低测量误差，重复步骤3)、4)，以完成不同入射角度时的测量。
[0044]若需要改变光斑大小，则调整激光聚焦系统3，令不同直径大小的光斑入射在被测表面上，通过双轴旋转系统的旋转和接收探测器10在四分之一圆弧滑动导轨9上的移动来完成空间散射光能量的测量。
[0045]下面结合测量过程示意图4对具体的测量方法做详细说明。这里以数据采集量最大的变距离空间散射光能量测量方案为例，其它测量功能可摘取本测量方案的部分步骤来实现。
[0046]I)首先需开启光源2预热20分钟，将待测样品按要求安装在样品夹具7中，使样品表面与样品夹具7的端面紧密贴合。
[0047]2)设定激光入射角度、聚焦光斑大小，由PC机13控制水平旋转台5的旋转来改变激光入射角度，本实施例中初始入射角设为0°，光源2与待测样品表面的距离设为5m，由激光干涉仪定位系统带动载物平台4移动到指定位置。
[0048]3)开始测量，由接收探测器10在四分之一圆弧滑动导轨9上的移动来接收不同反射角的光能量，测完后，由PC机13控制垂直旋转台6的旋转来改变接收方位角，本实施例设为5°，再由接收探测器10在四分之一圆弧滑动导轨9上的移动来接收该方位角下不同反射角的光能量。
[0049]4)重复步骤3)，直至垂直旋转台6转过360°，即测量完半球空间内的散射光能量。
[0050]5)完成步骤4)后，由激光干涉仪上位机控制软件设定下一个测量位置，本实施例为 10m。
[0051]6)重复步骤3)、4)、5)，直至测量完所要测量的距离。改变光源入射角度，由水平旋转台5中的上位机控制软件设定角度步进为5°。 [0052]7)重复步骤2)、3)、4)、5)、6)，直至测量完不同入射角度下、不同距离时表面的半球空间散射光能量。
[0053]上述测量中，在改变入射距离时，保持光源2的入射角度不变，如图4所示，这样可以最大限度的降低由水平旋转台5的旋转而引入的径向跳动误差，从而降低测量误差。若需要改变光斑大小，则调整激光聚焦系统3，令不同直径大小的光斑入射在被测表面上，选取步骤2)、3)、4)来完成测量。图5、图6为粗糙度样块空间散射光能量分布测量结果图。图中样块粗糙度为0.8 μ m，加工方式为刨床，测量结果为半球空间内的采集数据，由于每个采集点的坐标是关于天顶角和方位角的空间球坐标，所以需转换成笛卡尔坐标来实现曲面拟合。图5为入射角度= ，入射方位角只=()?时的测量结果，图6为入射角度Qi =
30°，入射方位角奶=90°时的测量结果，从图中可以看出，当入射角度相同，而入射方位角
不同时会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状均发生了变化。
[0054]本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
[0055]本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0056]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种制造表面粗糙度影响激光测量性能的试验装置，其特征在于，所述试验装置包括:标准长导轨、光源、激光聚焦系统、载物平台、水平旋转台、垂直旋转台、样品夹具、连接杆、四分之一圆弧滑动导轨、接收探测器、激光干涉仪发射端、激光干涉仪接收端和PC机， 所述光源、所述激光聚焦系统及所述激光干涉仪发射端固定在所述标准长导轨的一端，由所述水平旋转台和所述垂直旋转台组成双轴旋转系统、所述接收探测器及所述激光干涉仪接收端固定在由激光干涉仪控制的所述载物平台上，在所述标准长导轨上自由移动，所述样品夹具安装在所述垂直旋转台的轴心上，安装所述接收探测器的所述四分之一圆弧滑动导轨通过所述连接杆安装在所述垂直旋转台上，随所述垂直旋转台的转动而转动，所述水平旋转台、所述垂直旋转台、所述载物平台的位移、所述接收探测器在所述四分之一圆弧滑动导轨上的移动均由所述PC机统一控制。
2.根据权利要求1所述的一种制造表面粗糙度影响激光测量性能的试验装置，其特征在于，所述光源为多波段可调光源，包括:可见光光源400nm?800nm、近红外光光源800nm?2500nm及红外光光源2500nm?5000nm。
3.根据权利要求1所述的一种制造表面粗糙度影响激光测量性能的试验装置，其特征在于，所述水平旋转台和所述垂直旋转台的涡轮为细节距涡轮，所述水平旋转台和所述垂直旋转台上的游标尺分辨率为5弧分。
4.一种制造表面粗糙度影响激光测量性能的试验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 1)将样品放置在样品夹具中，使样品表面与样品夹具的端面贴合； 2)设定光源入射角度、入射光斑大小、所述光源与样品待测表面的距离及移动间距； 3)保持上述设定的入射角度，在待测位置测量表面空间散射光能量，由垂直旋转台在360°范围内的旋转来改变接收方位角，由接收探测器在四分之一圆弧滑动导轨上的移动来接收不同反射角的光能量； 4)测量完上述待测位置的光能量后，仍保持所述光源的入射角度不变，按照步骤2)设定的移动间距移动到下一个位置，按照步骤3)测量完该位置的光能量，再移动到下一个设定位置，重复步骤3)、4)，直至测量完所有设定距离的光能量； 完成上述测量后，再改变所述光源的入射角度，重复步骤3)、4)，以完成不同入射角度时的测量。
【文档编号】G01N21/47GK104034697SQ201410294148
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】陶会荣, 张福民, 曲兴华 申请人:天津大学