專利名稱：法向位移和角度傳感光學(xué)測頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及ー種尤其是應(yīng)用在直線導(dǎo)軌三自由度幾何誤差的測量和標(biāo)定，以及自由曲面的表面形貌重構(gòu)中的法向位移和角度傳感光學(xué)測頭。
背景技術(shù)：
測頭是精密量儀的關(guān)鍵部件之一，作為傳感器提供被測エ件的幾何信息，其發(fā)展 水平直接影響著精密量儀的測量精度、工作性能、使用效率和柔性程度。迄今，緊密測頭通常分為接觸式測頭和非接觸式測頭兩種，而非接觸式測頭由于其非接觸、無損害、不用對探 頭半徑補償?shù)葍?yōu)點，在世界范圍內(nèi)成為了精密量儀制造廠家的研究重點，并得到越來越多的關(guān)注和發(fā)展。德國Dr. ffolf&Beck公司利用光學(xué)三角法開發(fā)的OTM系列測頭可以用于階高的測量；美國Perceptron公司利用結(jié)構(gòu)光和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理開發(fā)了 Scanworks三維激光掃描測頭；德國Zeiss公司的ViScan光學(xué)探頭用于圖像分析和非接觸測量，其自動對焦功能還能測量垂直于探頭層面的物體；日本松下公司開發(fā)了高精度三維檢測儀UA3P利用原子力探頭和He-Ne激光器實現(xiàn)自由球面檢測；日本Sensofar公司利用光學(xué)共焦原理開發(fā)出了測量自由曲面的2D測頭；德國Trioptics公司利用3D_Def Iectometry原理實現(xiàn)了自由曲面的斜率變化測量；臺灣大學(xué)范光照等人開發(fā)出了基于廉價的DVD激光頭的自動聚焦探頭，用于表面三位輪廓測量，以及基于DVD激光頭的自準(zhǔn)直儀，用于傾角測量。上述精密測頭其中某些雖然都具有很高的精度，但是只能應(yīng)對某一幾何量的感測，如高度信息、角度信息等。已有利用兩個DVD激光頭分別作為角度感測和位移感測的測頭，為接觸式測頭提供觸發(fā)信號；RenishaW公司、API公司和HP公司等開發(fā)的小型激光干涉儀，通過配鏡的不同組合方式，也可以同時精確地測量多個幾何參量。然而，以上方法為了同時測量多個幾何參量，都増加了系統(tǒng)復(fù)雜性，比如増加使用ー個DVD激光頭；激光干涉儀的方法雖然靈活，但在安裝組合調(diào)試方面都非常麻煩，并且價格極其昂貴。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是為了克服背景技術(shù)的不足，提供一種能夠?qū)⒏袦y法向位移和感測角度傾斜融合在一個系統(tǒng)中的法向位移和角度傳感光學(xué)測頭，實現(xiàn)三個自由度同時測量的功能。本實用新型為解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本實用新型法向位移和角度傳感光學(xué)測頭的結(jié)構(gòu)特點是由自動對焦単元、傾角探測單元和顯微物鏡構(gòu)成；在所述自動對焦單元中，由半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光依次經(jīng)過分光光柵、分光鏡和反射鏡的反射后，經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直成平行光束，以所述平行光束經(jīng)過直角棱鏡的反射進(jìn)入顯微物鏡；被待測物體反射的光束按照原路返回至分光鏡后經(jīng)像散透鏡聚焦在四象限探測器上；[0009]紅外激光光源發(fā)出的激光依次經(jīng)導(dǎo)光光纖、準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡聚焦于紅外反射鏡上形成ー聚焦點，所述聚焦點與顯微物鏡的前焦點重合，所述紅外反射鏡位于直角棱鏡和顯微物鏡之間，并且光軸成45° ;由所述紅外反射鏡將紅外激光垂直反射進(jìn)入顯微物鏡中，在顯微物鏡中出射的平行紅外激光束經(jīng)過被測物體反射回顯微物鏡，位于紅外反射鏡和顯微物鏡之間的紅外分光鏡將返回的紅外激光束反射到ニ維PSD上。本實用新型法向位移和角度傳感光學(xué)測頭的結(jié)構(gòu)特點也在于所述自動對焦単元采用去除聚焦透鏡的DVD激光讀取頭。本實用新型法向位移和角度傳感光學(xué)測頭的測量方法是 設(shè)置所述四象限探測器的四個電壓信號經(jīng)放大后輸出的電壓信號分別記為UA、UB、Uc和Ud，則歸ー化聚焦誤差信號FES = [ (UA+UC) - (UB+UD) ] / (UA+UB+UC+UD)；以被測物體表面和顯微物鏡的焦面之間距離Λ d為橫軸，以歸ー化聚焦誤差信號FES為縱軸得到ー對應(yīng)S曲線，利用S曲線中的線性關(guān)系段P測量被測物體(19)表面在Z軸方向的位移量；根據(jù)反射的紅外激光束聚焦在ニ維PSD上位置的變化，判斷被測物體的表面在X或Y方向上的傾角大小。與背景技術(shù)相比，本實用新型具有如下優(yōu)點I、本實用新型屬于非接觸式光學(xué)測量方法，避免了傳統(tǒng)的接觸式探頭對探頭半徑的補償；由于沒有接觸應(yīng)カ，不會對被測物產(chǎn)生破壞。2、本實用新型將Z軸距離感測和X-Y平面角度感測通過顯微物鏡的后焦距和前焦距結(jié)合在一起，實現(xiàn)能夠感測三個自由度的傳感器。3、本實用新型具有高度的集成性，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，便于安裝和集成在被測環(huán)境中；如果自動對焦部分采用去除聚焦透鏡的DVD激光讀取頭來實現(xiàn)，則開發(fā)成本則又會大大降低。4、本實用新型可以同時測量直線導(dǎo)軌的直線度誤差、偏擺角誤差和俯仰角誤差這三個幾何量；也可以對自由曲面同時進(jìn)行自動對焦和表面斜率探測。

圖I為本實用新型法向位移和角度傳感光學(xué)測頭結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a、圖2b和圖2c為本實用新型法向位移和角度傳感光學(xué)測頭中自動對焦原理示意圖；圖3為本實用新型法向位移和角度傳感光學(xué)測頭中自動對焦部分的聚焦誤差信號(FES)曲線；圖4為本實用新型法向位移和角度傳感光學(xué)測頭中Y方向傾角感測原理示意圖；圖5為本實用新型法向位移和角度傳感光學(xué)測頭中X方向傾角感測原理示意圖；圖6a圖6b為本實用新型法向位移和角度傳感光學(xué)測頭中傾角感測部分的被測表面傾角和光斑重心位置的關(guān)系曲線；圖中標(biāo)號1自動對焦単元，2傾角探測單元，3顯微物鏡，4半導(dǎo)體激光器，5分光光柵，6分光鏡，7反射鏡，8準(zhǔn)直鏡，9直角棱鏡，10像散透鏡，11四象限探測器，12紅外激光光源，13導(dǎo)光光纖，14準(zhǔn)直鏡，15聚焦鏡，16紅外反射鏡，17紅外分光鏡，18 ニ維DSP，19被測物體。
具體實施方式
如圖I所示，本實施例法向位移和角度傳感光學(xué)測頭由自動對焦単元I、傾角探測單兀2和顯微物鏡3構(gòu)成；自動對焦單兀I包括半導(dǎo)體激光器4、分光光柵5、分光鏡6、反射鏡7、準(zhǔn)直鏡8、直角棱鏡9、像散透鏡10和四象限探測器11 ;傾角探測部分2包括紅外激光光源12、導(dǎo)光光纖13、準(zhǔn)直鏡14、聚焦鏡15、紅外反射鏡16、紅外分光鏡17和ニ維DSP18 ；顯微物鏡3為有限遠(yuǎn)紅外復(fù)色差校正顯微物鏡。如圖1，自動對焦功能是通過像散法實現(xiàn)的。由半導(dǎo)體激光器4發(fā)出的中心波長為650nm的激光,被分光光柵5分成三束光束，即O級光線和±1級衍射光線，本實施例中僅僅利用O級光線；0級光線經(jīng)過分光鏡6和反射鏡7的反射后，被準(zhǔn)直鏡8準(zhǔn)直成平行光束，平行光束經(jīng)過直角棱鏡9反射后進(jìn)入顯微物鏡3，被待測物體19反射的光束按照原路返回至分光鏡6，然后經(jīng)過像散透鏡10聚焦到四象限探測器11上，四象限探測器11的四個 電壓信號輸出端依次為A、B、C和D，由于四象限探測器11輸出的是微弱電壓信號，因此需在四象限探測器11后設(shè)置信號放大電路，放大后輸出的電壓信號可以相應(yīng)地記為UA、UB、UC和 Ud，定義歸一化聚焦誤差信號 FES = [ (UA+UC) - (UB+UD) ] / (UA+UB+UC+UD)。由于像散透鏡10在子午方向和弧矢方向的焦距不同，落在四象限探測器11上的聚焦光斑引入了幾何像差，即像散；如圖2所示，當(dāng)被測物體19表面位于顯微物鏡3的焦面位置吋，即離焦位移Λ d = O (圖2b所示)，四象限探測器11上的聚焦光斑為圓形，F(xiàn)ES =O ；當(dāng)被測物體19表面近焦Δ d > O (圖2c所示)和遠(yuǎn)焦Δ d < O (圖2a所示)時,聚焦光斑為方向相互垂直的橢圓形，分別有FES > O和FES < O。以被測物體19表面和顯微物鏡3的焦面之間距離Ad為橫軸，以歸ー化聚焦誤差信號FES為縱軸，得到像散自動對焦系統(tǒng)的S曲線，曲線零點位置就是準(zhǔn)確對焦的位置，曲線中間一段具有良好的線性關(guān)系，如圖3所示，利用該線性關(guān)系可以準(zhǔn)確測量被測物體19表面在Z軸方向的位移量。如圖1，傾角探測功能是利用顯微物鏡3的前焦點實現(xiàn)的。紅外激光光源12發(fā)出的激光經(jīng)過導(dǎo)光光纖13、準(zhǔn)直鏡14和聚焦鏡15聚焦于紅外反射鏡16上,且該焦點與顯微物鏡3的前焦點重合，而紅外反射鏡16位于直角棱鏡9和顯微物鏡3之間，并且與光軸成45°。紅外反射鏡16將紅外激光垂直反射進(jìn)入顯微物鏡3中，出射的平行紅外激光束經(jīng)過被測物體19反射回顯微物鏡3。位于紅外反射鏡16和顯微物鏡3之間的紅外分光鏡17將返回的紅外激光束反射到ニ維PSD 18上。為了避免自動對焦的光束和感測傾角的光束相互影響，本實施例使用有限遠(yuǎn)紅外復(fù)色差校正顯微物鏡3。 如圖4，如果被測物體19表面在Y方向有傾角，則反射回的紅外激光束聚焦在ニ維PSD上會有位置的變化，其光斑在ニ維PSD上的位置變化如圖4右下所示；同理如圖5，如果被測物體19表面在X方向有傾角，則反射回的紅外激光束聚焦在ニ維PSD18上也會有位置的變化，其光斑在ニ維PSD18上的位置變化如圖5右下所示；因此，被測物體19表面在任何方向有傾角，都可以通過ニ維PSD 18感測出來。目前，ニ維DSP分為三種四邊形結(jié)構(gòu)ニ維DSP、兩面型結(jié)構(gòu)ニ維DSP和枕型ニ維DSP。四邊形結(jié)構(gòu)ニ維DSP具有較小的暗電流和較高的光譜靈敏度，但由于四個電極互相靠的很近，容易產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，位置線性度比較差；兩面型結(jié)構(gòu)ニ維DSP具有很好的位置線性度，但是其暗電流比較大(可比四邊形結(jié)構(gòu)ニ維DSP高出ー個數(shù)量級)，并且沒有公共電極，増加了信號處理電路的復(fù)雜性；而枕型ニ維DSP既具有四邊形結(jié)構(gòu)ニ維DSP暗電流小反偏容易的特點，又具有兩面型結(jié)構(gòu)ニ維DSP線性度優(yōu)良的長處。因此，本實施例采用枕型ニ維DSP。如圖6a和圖6b所示，利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件經(jīng)過光學(xué)仿真后，得到的分別在Y方向和X方向的被測表面傾角和光斑重心位置之間成ー較好的線性關(guān)系。圖6a中，橫坐標(biāo)是 被測表面傾角，縱坐標(biāo)為Y方向光斑重心在ニ維DSP上的位置坐標(biāo)；圖6b中，橫坐標(biāo)是被測表面傾角，縱坐標(biāo)是X方向光斑重心在ニ維DSP上的位置坐標(biāo)。
權(quán)利要求1.法向位移和角度傳感光學(xué)測頭，其特征是由自動對焦単元(I)、傾角探測單元(2)和顯微物鏡(3)構(gòu)成； 在所述自動對焦單元(I)中，由半導(dǎo)體激光器(4)發(fā)出的激光依次經(jīng)過分光光柵(5)、分光鏡(6)和反射鏡(7)的反射后，經(jīng)準(zhǔn)直鏡(8)準(zhǔn)直成平行光束，以所述平行光束經(jīng)過直角棱鏡(9)的反射進(jìn)入顯微物鏡(3);被待測物體(19)反射的光束按照原路返回至分光鏡(6)后經(jīng)像散透鏡(10)聚焦在四象限探測器(11)上； 紅外激光光源(12)發(fā)出的激光依次經(jīng)導(dǎo)光光纖(13)、準(zhǔn)直鏡(14)和聚焦鏡(15)聚焦于紅外反射鏡(16)上形成ー聚焦點，所述聚焦點與顯微物鏡(3)的前焦點重合，所述紅外反射鏡(16)位于直角棱鏡(9)和顯微物鏡(3)之間，并且光軸成45° ;由所述紅外反射鏡(16)將紅外激光垂直反射進(jìn)入顯微物鏡(3)中，在顯微物鏡(3)中出射的平行紅外激光束經(jīng)過被測物體(19)反射回顯微物鏡(3)，位于紅外反射鏡(16)和顯微物鏡(3)之間的紅外 分光鏡(17)將返回的紅外激光束反射到ニ維PSD (18)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的法向位移和角度傳感光學(xué)測頭，其特征是所述自動對焦單元(I)采用去除聚焦透鏡的DVD激光讀取頭。
專利摘要本實用新型公開了一種法向位移和角度傳感光學(xué)測頭，其特征是半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光依次經(jīng)分光光柵、分光鏡和反射鏡后經(jīng)準(zhǔn)直成平行光束，平行光束經(jīng)直角棱鏡反射進(jìn)入顯微物鏡；被待測物體反射的光束按照原路返回至分光鏡后經(jīng)像散透鏡聚焦在四象限探測器上；紅外激光光源發(fā)出的激光依次經(jīng)導(dǎo)光光纖、準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡聚焦于紅外反射鏡上形成與顯微物鏡的前焦點重合的聚焦點，由紅外反射鏡將紅外激光垂直反射進(jìn)入顯微物鏡中，在顯微物鏡中出射的平行紅外激光束經(jīng)過被測物體反射回顯微物鏡，紅外分光鏡將返回的紅外激光束反射到二維PSD上。本實用新型可有效地用于直線導(dǎo)軌三自由度幾何誤差測量和標(biāo)定，及自由曲面的表面形貌重構(gòu)等。
文檔編號G01B11/26GK202393356SQ20112055704
公開日2012年8月22日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者劉寧, 盧榮勝, 史艷瓊, 夏瑞雪, 李琪, 董敬濤 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)