作者单位
摘要
南京航空航天大学机电学院,江苏 南京 210016
为了实现对跨尺度零件微小结构的尺寸精度和定位精度的同时测量,提出一种基于宏微复合标定的测量方法。建立不同尺度传感器组合式测量的标定模型,利用变焦扫描显微系统测量零件微尺度特征,利用双目系统测量定位显微设备,从控制坐标转换精度的角度设计加工特殊的标定块,将其作为跨尺度中转坐标系,标定变焦扫描显微重建点云坐标系与测头坐标系的空间转换关系,从而将局部测量点云统一至一个数据集中以完成所有局部区域的整体拼接。与理论模型对比分析,所提测量方法的各孔圆心坐标分布圆度误差为0.0438 mm,平面度误差为0.0252 mm,对喷注器各孔位姿的点误差值小于0.029 mm,孔轴向误差小于0.1140°。与面结构光传感器重建结果对比分析,所提模型能够在保证高精度重建三维形貌的情况下,更加正确地获取跨尺度零件的尺寸和位置。
表面形貌测量 跨尺度 多传感器方法 点云拼接 
光学学报
2024, 44(6): 0612001
Author Affiliations
Abstract
University of Kassel, Faculty of Electrical Engineering and Computer Science, Measurement Technology Group, Kassel, Germany
We present a unified electromagnetic modeling of coherence scanning interferometry, confocal microscopy, and focus variation microscopy as the most common techniques for surface topography inspection with micro- and nanometer resolution. The model aims at analyzing the instrument response and predicting systematic deviations. Since the main focus lies on the modeling of the microscopes, the light–surface interaction is considered, based on the Kirchhoff approximation extended to vectorial imaging theory. However, it can be replaced by rigorous methods without changing the microscope model. We demonstrate that all of the measuring instruments mentioned above can be modeled using the same theory with some adaption to the respective instrument. For validation, simulated results are confirmed by comparison with measurement results.
interference microscopy coherence scanning interferometry confocal microscopy focus variation microscopy electromagnetic modeling surface topography measurement 
Advanced Photonics Nexus
2024, 3(1): 016013
作者单位
摘要
1 浙江工业大学机械工程学院,浙江 杭州 310023
2 中国科学院宁波材料技术与工程研究所,浙江省航空发动机极端制造技术研究重点实验室,浙江 宁波 315201
3 浙江工业大学激光先进制造研究院,浙江 杭州 310023
激光增材制造技术可实现高熵合金零部件的快速制造,但增材件存在表面质量差、难加工等问题。对此,笔者采用激光抛光工艺来改善CoCrFeNi高熵合金增材件的表面质量。首先通过筛选实验法和单因素实验法,研究了激光功率、扫描速度、扫描间距、离焦量、扫描轨迹和扫描次数等因素对表面粗糙度的影响规律,而后探讨了激光抛光对合金表面元素分布和微观组织的作用机制。结果表明:激光抛光技术可以有效降低增材件的表面粗糙度,离焦量和激光功率对表面质量的影响相对较大,表面粗糙度随着扫描速度、离焦量、扫描次数的增加呈现先减小后增大的趋势;经激光抛光后的高熵合金增材件表面O元素和Cr元素含量显著降低,Co元素、Fe元素及Ni元素含量略有提升,表面粗糙度较初始表面粗糙度降低了约90%;连续激光对增材件表面的作用机制主要是重熔,对表层氧化物的去除机制主要是汽化。
激光技术 连续激光抛光 CoCrFeNi高熵合金 表面粗糙度 表面形貌 
中国激光
2023, 50(20): 2002304
作者单位
摘要
上海理工大学 机械工程学院,上海200093
脉冲压缩光栅是实现高能量激光的核心光学元器件,其制造过程中产生的表面污染物和微结构缺陷成为限制高功率激光系统发展的技术瓶颈,为了提升光栅的激光诱导损伤阈值,提出利用磁性复合流体进行脉冲压缩光栅(PCG)后处理抛光研究。对抛光前后光栅样品的微观结构,表面形貌、表面粗糙度、衍射效率和激光诱导损伤阈值等参数进行测量,进行抛光前后光栅表面质量和光栅性能的评估。研究发现,磁性复合流体抛光能够在不破坏实际光栅结构的前提下抑制加工过程产生的毛刺,微结构缺陷等;经3 min抛光后,光栅顶部表面粗糙度从21.36 nm下降到3.73 nm;激光诱导损伤阈值从2.8 J/cm2提高到3.8 J/cm2,抗激光损伤性能提升35.7%,且不影响衍射效率。实验结果表明:磁性复合流体抛光是一种可以提高光栅元件表面质量,提升光栅元件光学性能的有效方法。
脉冲压缩光栅 多层介质膜光栅 磁性复合流体 激光诱导损伤阈值 表面形貌 pulse compression gratings (PCG) multilayer dielectric grating (MDG) magnetic compound fluid (MCF) laser induced damage threshold (LIDT) surface topography 
光学 精密工程
2023, 31(14): 2071
王玥颖 1,2刘旭 1,**郝翔 1,2,*
作者单位
摘要
1 浙江大学光电科学与工程学院,浙江 杭州 310027
2 浙江大学嘉兴研究院智能光电创新中心,浙江 嘉兴 314000
随着精密仪器制造和半导体加工产业的蓬勃发展,对微小结构表面形貌的观察和测量是现代科学研究的一个重要方向。激光扫描共聚焦显微成像技术因高分辨率、高信噪比和优秀的层切能力在三维表面形貌测量领域备受青睐。介绍共聚焦显微成像技术的基本原理,并对适用于三维表面形貌测量领域的共聚焦显微成像方法进行综述,包括共聚焦成像的不同扫描方法、不同探测手段及基于光谱的共聚焦成像技术。最后,对共聚焦显微成像技术未来的发展趋势进行展望。
共聚焦显微成像技术 三维表面形貌测量 扫描成像 轴向定位 
激光与光电子学进展
2023, 60(8): 0811007
张奇 1,2,*沈磊 2何博 1,2
作者单位
摘要
1 上海工程技术大学高温合金精密成型研究中心, 上海 201620
2 上海工程技术大学材料工程学院, 上海 201620
将选择性激光熔化和飞秒激光减材技术相结合已被认为是实现复杂和精细结构近净成形的有效工艺。在SLM工艺中, 由于熔池的运动和熔道的重叠, SLM成形件的表面具有一定的周期性结构, 这对后续飞秒激光减材影响很大。研究首先测量SLM 制备Ti-6Al-4V工件的表面结构, 设计飞秒激光减材试验。通过试验和二维数值模型, 研究了飞秒激光减材加工过程中表面形貌的演变, 预测表面粗糙度值。仿真结果与试验结果非常接近, 误差仅为7.63%。此外, 该模型还用于研究正负离焦位置的表面移动速度和加工深度: 负离焦位置的表面移动速度和加工深度均大于正离焦位置。该关系揭示了飞秒激光减材过程中表面粗糙度降低的机理。
增减材复合制造 表面形貌 飞秒激光 数值模拟 additive/subtractive hybrid manufacturing surface topography Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V femtosecond laser numerical simulation 
应用激光
2023, 43(2): 56
作者单位
摘要
1 宁波大学机械工程与力学学院,浙江 宁波 315211
2 中国科学院宁波材料技术与工程研究所,浙江省航空发动机极端制造技术研究重点实验室,浙江 宁波 315201
3 中国科学院大学,北京 100049
4 江西理工大学机电工程学院,江西 赣州 341000
激光铣削具有材料适应性广、激光能量密度可调控以及无机械力等特点,可用于难加工材料镍基高温合金的材料去除加工。本团队采用光束整形的多激光束耦合纳秒激光开展了DZ411镍基高温合金微铣削表面的工艺研究,分析了扫描次数N、扫描速度v、扫描间距s、脉冲频率f以及激光功率P等工艺参数对铣削表面形貌、表面粗糙度、铣削效率以及表面元素分布等的影响机制。结果表明:多光束耦合激光对材料的去除机制主要是汽化与重熔,在加工表面形成了凸起与凹坑等周期性多尺度特征;当N=10、v=100 mm/s、s=25 μm、P=15 W、f=10 kHz时,面槽底部的粗糙度Ra最大(51.75 μm),铣削效率也达到最大值(1.87 mm3/min);随着扫描间距s由15 μm增大到35 μm或激光功率P由5 W增大到15 W,铣削效率逐渐增大;激光铣削过程中材料发生了复杂的物理化学变化,加工表面的凸起结构中可能包含多种金属氧化物和金属间化合物。本研究工作可以拓展激光加工的工艺类型,为新型激光铣削参数优化提供工艺支撑。
激光技术 激光铣削 光束耦合 镍基高温合金 表面形貌 表面粗糙度 铣削效率 
中国激光
2023, 50(8): 0802203
苏榕 1,*刘嘉宇 1,2乔潇悦 1,3简振雄 1,2[ ... ]朱利民 2
作者单位
摘要
1 中国科学院上海光学精密机械研究所精密光学制造与检测中心,上海 201800
2 上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240
3 中国科学院上海光学精密机械研究所,中国-俄罗斯“一带一路”激光科学联合实验室,上海 201800
4 上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海 200093
扫描白光干涉术是目前最精确的表面形貌测量技术之一,被广泛应用于工业与科研领域。从发明至今的三十余年间,在精密光学、半导体、汽车及航天等先进制造领域的需求牵引下,该技术不断取得新的进展与突破。本文从技术应用、方法和算法创新、系统设计、理论模型、校准与误差补偿等方面,总结了过去二十年扫描白光干涉技术的重要进展,对该领域进一步发展提出了展望。
测量 白光干涉术 表面形貌 计量学 光学成像 干涉显微术 先进制造 
激光与光电子学进展
2023, 60(3): 0312005
作者单位
摘要
1 甘肃省太阳能发电系统工程重点实验室,酒泉职业技术学院,甘肃 酒泉 735000
2 有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,兰州理工大学,兰州 730050
利用45°双弯曲磁过滤阴极真空电弧技术制备超薄四面体非晶碳膜,研究碳源入射角变化对超薄四面体非晶碳膜润湿性、表面能、粗糙度、表面形貌、摩擦系数和微观结构的影响以及它们之间的构效关系。结果表明:碳源入射角从0°增加到60°,薄膜与水的接触角由77.6°小幅增加到了82.4°,与甘油的接触角由64.7°小幅增加到71.2°,表现出亲水性。薄膜总的表面能由33.9 mJ/m2降低到28.0 mJ/m2,薄膜接触角的小幅增大归因于材料表面能的降低和表面粗糙度的增加。同时薄膜平均摩擦系数由0.140增加到0.217。碳的近边结构吸收谱表明,随着碳源入射角从0°增加到60°,薄膜sp3含量没有发生明显变化。
四面体非晶碳膜 碳源入射角 微观结构 润湿性 表面形貌 tetrahedral amorphous carbon films incident angles of carbon ions microstructure wettability surface topography 
硅酸盐学报
2022, 50(5): 1385
作者单位
摘要
南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094
传统的低相干垂直扫描方法在测量高度达数十或数百微米的台阶或沟槽类微结构的表面三维形貌时,测量效率低下。为此,提出一种基于光谱分布特性的快速垂直扫描形貌测量方法,该方法包含两次垂直扫描过程。建立描述单幅干涉图条纹对比度的评价函数,利用粗扫描来定位被测件上下表面的大致位置,并联系上下两幅粗扫描图像计算出覆盖被测件上下表面相干区域的精扫描采图区域。精扫描在其他区域直接跳过但记录位移量,结合π/2扫描移相的精扫描干涉图复原被测件的表面三维形貌。粗扫描的扫描步长由低相干光谱分布计算得到,精扫描步长为中心波长的1/8。以高度为7.805 μm的台阶板和深度为200.99 μm的沟槽进行实验,结果表明,所提方法相比传统垂直扫描方法的采图时间分别缩短了48.2%和55.2%。
测量 表面三维形貌 快速垂直扫描测量 光谱分布特性 
光学学报
2022, 42(15): 1512003

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