白光干涉测量轴承中球体的曲率和表面粗糙度
白光干涉测量轴承中球体的曲率和表面粗糙度
引 言
光学相干层析技术 ( optical coherence tomo-graphy，OCT) 是一种非介入式高分辨率光学成像，
它是基于低相干干涉的测量原理。一般有两种光学相干层析技术，一种是点扫描 OCT，另一种
是全场 OCT 。一般的扫描成像是使用扫描仪对成像空间的 1 维或 2 维区域进行扫描成像。而全
场OCT 可以使用并行测量的方法同时测量多个横向位置。
一个典型的球轴承组件包括 1 个球、保持架、内圈、外圈。不同的应用程序使用不同的几何形
状，如深沟或角接触球轴承或滚子、滚针轴承、圆锥滚子、关节、枕块或等速轴承等等。这些
轴承广泛应用于飞机、汽车、陀螺仪、燃油系统、机车、风力涡轮机和机床。
光学球面曲率半径测量常见方法有环式球径仪法、牛顿环干涉法、平板横向剪切干涉法、自准
直显微镜定位法等方法。在这里作者引入全场光学相干 层 析 成 像 ( full-field optical coherence
tomo-graphy，FF-OCT) 的技术。它使用一种并行测试技术在全视场下通过白光照射物体通过面
阵CCD 全景成像。FF-OCT 避免了横向扫描成像过程对成像速率的影响。扫描过程引发的机械
抖动以及物体运动的拖影现象都会降低成像质量。在使用的白光光源下，FF-OCT 能够获得大
图像尺寸和极小的景深。本文中的成像对象是反射面。这不同于 OCT 测量生物组织的散射，
从反射平面得到的光强比从物体内部发出的散射要大很多，因此，在 OCT 图像中物体表面的
相对高度是非常明显的。FF-OCT 消除了横向扫描而得到了更高的帧传输速率，提高了传输速
率。本文中，作者为 FF-OCT 系统引入延迟测量单元( multiple delay element，MDE) ，分别对
其两种不同的设置方式进行评估分析。成像速率由 CCD 传感器决定，原则上其频率可达几十
赫兹。
1 方 法
基于干涉显微镜和光学轮廓，把光学干涉成像技术用于测量轴承中球体的曲率和表面粗糙度。
因为高精密球轴承的粗糙度小，采用了最快的速率，最高的精密法，相移干涉与延时干涉相结
合。对于测量，使用了一个 20× 物镜，以测量面积约 240μm ×315μm 横向分辨率为 670nm。FF-
OCT 系统基于麦克尔逊干涉仪，用一个超亮发光二极管( super light-emitting diode，SLD) 作为
光源。SLD 的中心波长为850nm ，带宽为20nm。无极性分光镜把入射光均分后，两束光分别
摄入目标臂和参考臂。为了补偿色散，放置一个相同的分光镜在参考臂。一个中性密度滤镜在
参考臂中平衡干涉仪的返回光的光强，一个色散补偿镜片被放置目标臂中。选用CCD 相机的
帧速率为 17Hz ，分辨率为 512pixel × 512pixel，曝光时间为 10ms ，读取所需要的时间是
59ms。参考镜被安装在压电陶瓷上，提供精确的位移，在轴向上提供干涉相移。通过相移干涉
法可以消除直流信号，得到相干信号。压电陶瓷周期与相机同步。通过在同一视场中进行测量
计算，能够得到重复性和再现性相对较高的多个位置的轮廓测量参量。光学轮廓仪可以在一次
测量中，通过全视场的非接触测量方式，得到需测量位置的曲率半径及表面粗糙度。
2 曲率测量原理
表面形状可以通过传统的 B 型扫描( B-scan) 和C 型扫描( C-scan) 获得。B-scan 过几幅不同极角
得到的图像对物体表面曲率的形状进行计算，C-scan 从不同的深度获得图像的信息，然后对曲
面进行重建。但这两种方法的相同弊端在于耗时较长。
一种新的方法可以从一次C-scan 中推断出球面的极性变化曲率。在测量系统中引入多个延迟单
元，把它们设置在 OCT 系统的测量参考臂上，每一个延迟单元都对应一个 C-scan 的扫描轮
廓。从而可以从不同的高度上获取多个表面轮廓信息，并从极角和球体的轴向位置推断出曲率
半径。随着加入多个延时单元到测量参考臂，在一次OCT 成像中，可以得到一个以上的物体
轮廓，这种办法能够缩短成像过程提高测量精度。
三相移法干涉信号由下式得到:【1】
摘要：
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白光干涉测量轴承中球体的曲率和表面粗糙度引言光学相干层析技术(opticalcoherencetomo-graphy，OCT)是一种非介入式高分辨率光学成像，它是基于低相干干涉的测量原理。一般有两种光学相干层析技术，一种是点扫描OCT，另一种是全场OCT。一般的扫描成像是使用扫描仪对成像空间的1维或2维区域进行扫描成像。而全场OCT可以使用并行测量的方法同时测量多个横向位置。一个典型的球轴承组件包括1个球、保持架、内圈、外圈。不同的应用程序使用不同的几何形状，如深沟或角接触球轴承或滚子、滚针轴承、圆锥滚子、关节、枕块或等速轴承等等。这些轴承广泛应用于飞机、汽车、陀螺仪、燃油系统、机车、风力涡轮...
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作者：闻远设计
分类：非标机械电气自动化
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