基于圖像處理的機械刻劃在位檢測裝置

石廣豐，丁健生，史國權,2

（1.長春理工大學，長春 103322；2.中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所，蘇州 215163）

0 引言

高槽線密度的機械刻劃是一個極為精密且十分耗時的過程，刻劃期間發生的任何意外均可能導致微結構槽形的缺陷，致使整塊微結構母版的制作失敗。而現有的微結構槽形檢測手段，如機械刻劃衍射光柵所采用的原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡等檢測方法，均屬于離線檢測手段[1～3]；也有基于刻劃機的動態參量進行間接表征的刻劃控制的方法[4,5]等；但對于在刻劃過程中產生的微結構表面缺陷大都不能宏微結合地有效而形象地表征，導致昂貴的刻劃機與刻劃刀具消耗[6]，嚴重地浪費了資源和時間。當然精密刻劃機的封閉性也導致很難和通用檢測裝置進行有效銜接。

本文在刻劃機上設計了一種離線圖像檢測裝置來實現刻劃結果的在位檢測技術，從而實現在工件表面調平基礎上的刻劃質量在位檢測和監控，進而保證機械刻劃質量。

1 系統組成

為了實現機械刻劃微結構槽形的在位評價，設計了在位評價系統，整個檢測系統按功能劃分由四個子系統構成：刻劃子系統、調平子系統、圖像采集子系統、槽形檢測子系統，具體組成如圖1所示。

圖1 調平系統構成示意圖

刻劃子系統為一臺精密機械刻劃機，可實現X，Y，Z三個自由度的精確定位。在機床的運動平臺上安裝了工件毛坯調平機構，可實現刻劃和分度兩個方向的水平傾角調節，如圖2所示。在調平機構上安裝夾具，用于固定工件毛坯。工件毛坯上方，刻劃機刀橋上安裝刻劃刀刀座和觀測顯微鏡，二者在水平方向上保持靜止，垂直方向上可各自獨立升降。其中刻劃刀刀座的升降由機床自帶的Z軸實現，顯微鏡的升降由額外加裝的一維運動滑臺實現。通過機械刻劃機在刻劃方向的往復運動和分度方向的單向運動，可以使工件表面各區域逐行通過顯微鏡鏡頭，從而完成顯微鏡對整個工件微結構表面的掃描。由于檢測與加工在同一套運動機構上實現，加工好的微結構工件不需要從刻劃機上取下既可實現表面微結構形貌檢測，甚至可以邊刻邊檢，實現在線檢測。

圖2 檢測系統硬件結構示意圖

除刻劃子系統運行在刻劃機的控制計算機上以外，其余三個子系統的控制程序均運行在工控機上。四個子系統密切相關，協同工作。其中劃刻子系統是整個系統的基礎，其他三個子系統均需要刻劃子系統的配合才能正常工作。調平子系統需要圖像采集子系統所采集的圖像做為水平度的反饋來達到調平效果，這樣才能使工件毛坯表面各點在測量前具有相同的起始高度。槽形檢測子系統需要圖像采集子系統所采集的圖像做為槽形判斷的依據，同時檢測過程中還需要根據刻劃機的坐標信息來決定采樣時機和采樣速度，當檢測出槽形異常時還需要向刻劃機發送停止指令，使其停止刻劃。基于圖像處理的機械刻劃在位檢測裝置的系統硬件組成系統如圖2所示，軟件結構框圖如圖3所示。

2 實驗裝置搭建

在已有的機械刻劃機之上，搭建了機械刻劃微結構槽形在線檢測系統，如圖4所示。機械刻劃機采用氣浮導軌及直線電機驅動機床運動平臺做直線運動，分辨率5納米。電動傾斜臺由2路伺服電機及精密傾斜臺組成，可通過編程控制傾斜臺在光柵刻劃方向及分度方向進行傾角調節，重復定位精度2″。顯微鏡及CCD攝像機負責系統的傾角測量，其光學放大倍數為50-500倍，配合高分辨率CCD攝像機，分辨率可達84納米。受顯微鏡景深限制，系統工作之前必須先對傾斜臺進行粗調，（如圖2所示）使A、B兩點的高度之差小于10微米。

調平子系統的兩個傾斜角調節電機，圖像采集系統的鏡頭升降電機通過一塊阿爾泰PCI1020運動控制卡接入工控機。該卡是一塊四軸的運動控制卡，可對伺服/步進電機進行精確的位置控制。圖像采集子系統的CCD攝像機通過專用的數字圖像采集卡接入工控機。

圖3 檢測系統軟件結構示意圖

為適應系統高速的圖像檢測要求，工控機配備了主頻3.3GHz的i5 4590四核處理器，8G內存，Windows 7 64位操作系統。運動控制卡的控制程序，CCD攝像機的圖像采集程序以及槽形檢測程序均布署在該工控機上。檢測系統還需要與光柵刻劃機的數控系統進行交互，來獲取刻劃機床的狀態信息，以及向刻劃機發送控制指令。為此在刻劃機的控制計算機上開發了狀態采集及指令響應程序，并將刻劃機的控制計算機與工控機之間用以太網進行了直連。

顯微鏡及CCD攝像機通過連接板固定在一維位移平臺上，位移平臺固定在機床刀架上，平臺運動方向垂直于機床水平運動平面，與刻劃機的Z軸平行。當刻劃刀沿分度方向移動時，同時帶動位移平臺運動。

位移平臺采用伺服電機驅動，結合精密絲杠、減速齒輪及高分辨率編碼器，可實現垂直方向0.1微米的位移分辨率。伺服電機連接驅動器，再通過運動控制卡接入工控機。在工控機上編寫運動控制程序，實現對位移平臺的精確定位。

圖4 檢測系統實物圖

圖5 三維可視化的檢測系統

考慮到圖像采集的實時性，圖像采集子系統采用的是Olympus顯微鏡，CCD攝像機傳感器為Sony ICX252，分辨率為1194×1194。通過圖像融合，已經可以獲取微結構槽形的三維數據。為了便于操作者直觀的觀察到微結構槽形的三維形貌，基于OpenGL3D圖形庫開發了三維可視化檢測系統，系統在繪制三維槽形結構時以四邊形為繪圖單元，將槽形截面上各點按頂點數組的形式存儲，最后繪制成像。（中階梯光柵）樣件微結構槽形的表面形貌和缺陷特征檢測結果如圖5所示。

3 結束語

開發了一套基于圖像處理的在位檢測裝置。該裝置包括刻劃子系統、調平子系統、圖像采集子系統、槽形檢測子系統，能夠在對工件表面調平的基礎上通過圖像采集與加工形貌檢測來實現對加工質量的評價，實現了檢測結果如刻劃微槽形表面等特征的可視化呈現。這對于及時發現刻劃缺陷問題并作出有效判斷或工藝調整具有重要指導作用，達到了在位檢測功能與機械刻劃機系統有機結合并能實現加工質量在位評價的目的。需要指出的是，加工軟、硬件系統性能的提高對于該裝置的性能指標還具有很大提升空間。

[1]J. F.Verrill. Diffraction grating ruling tool alignment by analysis of traced groove profile[J].Journal of Physics E：Scientific Instruments.1975,8(6)：522-525.

[2]Jirigalantu, Li X T, Zhang S W, Mi X T, Gao J X, Bayanheshig,Qi X D, Tang Y G.Ruling of echelles and gratings with a diamond tool by the torque equilibrium method[J].Applied Optics,2016,55(28)：8082-8088.

[3]Zhang B Q, Wang Q H, Shen N G,Ding H T.Experimental Investigation and Numerical Analysis of Mechanical Ruling for an Aluminum-Coated Diffraction Grating[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering,2017,139(2)：021003.

[4]楊超.大尺寸光柵刻槽誤差校正及在線監測技術研究[D].中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所),2015.

[5]楊超,于海利,張善文,于宏柱,李曉天,唐玉國.光柵刻劃機衍射波前質量的主動控制校正方法[J].中國激光,2015,(01)：239-246.

[6]Shi G F, Shi G Q, Song L S. Reverse Design of The Roof Diamond Tool for Ruling Echelle Grating[J].Key Engineering Materials. 2013,552：180-185.