专利名称：法向位移和角度传感光学测头及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种尤其是应用在直线导轨三自由度几何误差的测量和标定，以及自由曲面的表面形貌重构中的法向位移和角度传感光学测头及测量方法。
背景技术：
测头是精密量仪的关键部件之一，作为传感器提供被测工件的几何信息，其发展水平直接影响着精密量仪的测量精度、工作性能、使用效率和柔性程度。迄今，紧密测头通常分为接触式测头和非接触式测头两种，而非接触式测头由于其非接触、无损害、不用对探头半径补偿等优点，在世界范围内成为了精密量仪制造厂家的研究重点，并得到越来越多的关注和发展。德国Dr. ffolf&Beck公司利用光学三角法开发的OTM系列测头可以用于阶高的测量；美国Peraptron公司利用结构光和坐标转换原理开发了 kanworks三维激光扫描测头；德国Zeiss公司的Vikan光学探头用于图像分析和非接触测量，其自动对焦功能还能测量垂直于探头层面的物体；日本松下公司开发了高精度三维检测仪UA3P利用原子力探头和He-Ne激光器实现自由球面检测；日本insofar公司利用光学共焦原理开发出了测量自由曲面的2D测头；德国Trioptics公司利用3D_DefIectometry原理实现了自由曲面的斜率变化测量；台湾大学范光照等人开发出了基于廉价的DVD激光头的自动聚焦探头，用于表面三位轮廓测量，以及基于DVD激光头的自准直仪，用于倾角测量。上述精密测头其中某些虽然都具有很高的精度，但是只能应对某一几何量的感测，如高度信息、角度信息等。已有利用两个DVD激光头分别作为角度感测和位移感测的测头，为接触式测头提供触发信号；Renishaw公司、API公司和HP公司等开发的小型激光干涉仪，通过配镜的不同组合方式，也可以同时精确地测量多个几何参量。然而，以上方法为了同时测量多个几何参量，都增加了系统复杂性，比如增加使用一个DVD激光头；激光干涉仪的方法虽然灵活，但在安装组合调试方面都非常麻烦，并且价格极其昂贵。
发明内容
本发明的目的是为了克服背景技术的不足，提供一种能够将感测法向位移和感测角度倾斜融合在一个系统中的法向位移和角度传感光学测头及测量方法，实现三个自由度同时测量的功能。本发明为解决技术问题所采用的技术方案是本发明法向位移和角度传感光学测头的结构特点是由自动对焦单元、倾角探测单元和显微物镜构成；在所述自动对焦单元中，由半导体激光器发出的激光依次经过分光光栅、分光镜和反射镜的反射后，经准直镜准直成平行光束，以所述平行光束经过直角棱镜的反射进入显微物镜；被待测物体反射的光束按照原路返回至分光镜后经像散透镜聚焦在四象限探测器上；
红外激光光源发出的激光依次经导光光纤、准直镜和聚焦镜聚焦于红外反射镜上形成一聚焦点，所述聚焦点与显微物镜的前焦点重合，所述红外反射镜位于直角棱镜和显微物镜之间，并且光轴成45° ；由所述红外反射镜将红外激光垂直反射进入显微物镜中，在显微物镜中出射的平行红外激光束经过被测物体反射回显微物镜，位于红外反射镜和显微物镜之间的红外分光镜将返回的红外激光束反射到二维PSD上。本发明法向位移和角度传感光学测头的结构特点也在于所述自动对焦单元采用去除聚焦透镜的DVD激光读取头。本发明法向位移和角度传感光学测头的测量方法的特点是设置所述四象限探测器的四个电压信号经放大后输出的电压信号分别记为UA、UB、 Uc和Ud，则归一化聚焦误差信号FES = [ (UA+UC) - (UB+UD) ] / (UA+UB+UC+UD)；以被测物体表面和显微物镜的焦面之间距离Δ d为横轴，以归一化聚焦误差信号FES为纵轴得到一对应S曲线，利用S曲线中的线性关系段P测量被测物体(19)表面在Z轴方向的位移量；根据反射的红外激光束聚焦在二维PSD上位置的变化，判断被测物体的表面在X 或Y方向上的倾角大小。与背景技术相比，本发明具有如下优点1、本发明属于非接触式光学测量方法，避免了传统的接触式探头对探头半径的补偿；由于没有接触应力，不会对被测物产生破坏。2、本发明将Z轴距离感测和X-Y平面角度感测通过显微物镜的后焦距和前焦距结合在一起，实现能够感测三个自由度的传感器。3、本发明具有高度的集成性，结构紧凑，体积�。阌诎沧昂图稍诒徊饣肪持校� 如果自动对焦部分采用去除聚焦透镜的DVD激光读取头来实现，则开发成本则又会大大降低。4、本发明可以同时测量直线导轨的直线度误差、偏摆角误差和俯仰角误差这三个几何量；也可以对自由曲面同时进行自动对焦和表面斜率探测。
图1为本发明法向位移和角度传感光学测头结构示意图；图2a、图2b和图2c为本发明法向位移和角度传感光学测头中自动对焦原理示意图；图3为本发明法向位移和角度传感光学测头中自动对焦部分的聚焦误差信号 (FES)曲线；图4为本发明法向位移和角度传感光学测头中Y方向倾角感测原理示意图；图5为本发明法向位移和角度传感光学测头中X方向倾角感测原理示意图；图6a图6b为本发明法向位移和角度传感光学测头中倾角感测部分的被测表面倾角和光斑重心位置的关系曲线；图中标号1自动对焦单元，2倾角探测单元，3显微物镜，4半导体激光器，5分光光栅，6分光镜，7反射镜，8准直镜，9直角棱镜，10像散透镜，11四象限探测器，12红外激光光源，13导光光纤，14准直镜，15聚焦镜，16红外反射镜，17红外分光镜，18 二维DSP，19被测物体。
具体实施例方式如图1所示，本实施例法向位移和角度传感光学测头由自动对焦单元1、倾角探测单元2和显微物镜3构成；自动对焦单元1包括半导体激光器4、分光光栅5、分光镜6、反射镜7、准直镜8、直角棱镜9、像散透镜10和四象限探测器11 ；倾角探测部分2包括红外激光光源12、导光光纤13、准直镜14、聚焦镜15、红外反射镜16、红外分光镜17和二维DSP18 ； 显微物镜3为有限远红外复色差校正显微物镜。如图1，自动对焦功能是通过像散法实现的。由半导体激光器4发出的中心波长为650nm的激光，被分光光栅5分成三束光束，即0级光线和士 1级衍射光线，本实施例中仅仅利用0级光线；0级光线经过分光镜6和反射镜7的反射后，被准直镜8准直成平行光束，平行光束经过直角棱镜9反射后进入显微物镜3，被待测物体19反射的光束按照原路返回至分光镜6，然后经过像散透镜10聚焦到四象限探测器11上，四象限探测器11的四个电压信号输出端依次为A、B、C和D，由于四象限探测器11输出的是微弱电压信号，因此需在四象限探测器11后设置信号放大电路，放大后输出的电压信号可以相应地记为UA、UB、UC 和 Ud，定义归一化聚焦误差信号 raS = [ (UA+UC) - (UB+UD) ] / (UA+UB+UC+UD)。由于像散透镜10在子午方向和弧矢方向的焦距不同，落在四象限探测器11上的聚焦光斑引入了几何像差，即像散；如图2所示，当被测物体19表面位于显微物镜3的焦面位置时，即离焦位移Δ d = 0 (图2b所示)，四象限探测器11上的聚焦光斑为圆形，FES = 0 ；当被测物体19表面近焦Ad>0(图2c所示)和远焦八(1<0(图加所示)时，聚焦光斑为方向相互垂直的椭圆形，分别有FES > 0和FES < 0。以被测物体19表面和显微物镜 3的焦面之间距离Ad为横轴，以归一化聚焦误差信号FES为纵轴，得到像散自动对焦系统的S曲线，曲线零点位置就是准确对焦的位置，曲线中间一段具有良好的线性关系，如图3 所示，利用该线性关系可以准确测量被测物体19表面在Z轴方向的位移量。如图1，倾角探测功能是利用显微物镜3的前焦点实现的。红外激光光源12发出的激光经过导光光纤13、准直镜14和聚焦镜15聚焦于红外反射镜16上，且该焦点与显微物镜3的前焦点重合，而红外反射镜16位于直角棱镜9和显微物镜3之间，并且与光轴成 45°。红外反射镜16将红外激光垂直反射进入显微物镜3中，出射的平行红外激光束经过被测物体19反射回显微物镜3。位于红外反射镜16和显微物镜3之间的红外分光镜17将返回的红外激光束反射到二维PSD 18上。为了避免自动对焦的光束和感测倾角的光束相互影响，本实施例使用有限远红外复色差校正显微物镜3。如图4，如果被测物体19表面在Y方向有倾角，则反射回的红外激光束聚焦在二维 PSD上会有位置的变化，其光斑在二维PSD上的位置变化如图4右下所示；同理如图5，如果被测物体19表面在X方向有倾角，则反射回的红外激光束聚焦在二维PSD18上也会有位置的变化，其光斑在二维PSD18上的位置变化如图5右下所示；因此，被测物体19表面在任何方向有倾角，都可以通过二维PSD 18感测出来。目前，二维DSP分为三种四边形结构二维DSP、两面型结构二维DSP和枕型二维 DSP0四边形结构二维DSP具有较小的暗电流和较高的光谱灵敏度，但由于四个电极互相靠的很近，容易产生边缘效应，位置线性度比较差；两面型结构二维DSP具有很好的位置线性度，但是其暗电流比较大(可比四边形结构二维DSP高出一个数量级)，并且没有公共电极， 增加了信号处理电路的复杂性；而枕型二维DSP既具有四边形结构二维DSP暗电流小反偏容易的特点，又具有两面型结构二维DSP线性度优良的长处。因此，本实施例采用枕型二维 DSP0如图6a和图6b所示，利用ZEMAX光学设计软件经过光学仿真后，得到的分别在Y方向和X方向的被测表面倾角和光斑重心位置之间成一较好的线性关系。图6a中，横坐标是被测表面倾角，纵坐标为Y方向光斑重心在二维DSP上的位置坐标；图6b中，横坐标是被测表面倾角，纵坐标是X方向光斑重心在二维DSP上的位置坐标。
权利要求
1.法向位移和角度传感光学测头，其特征是由自动对焦单元(1)、倾角探测单元(2)和显微物镜(3)构成；在所述自动对焦单元(1)中，由半导体激光器(4)发出的激光依次经过分光光栅(5)、 分光镜(6)和反射镜(7)的反射后，经准直镜(8)准直成平行光束，以所述平行光束经过直角棱镜(9)的反射进入显微物镜(3)；被待测物体(19)反射的光束按照原路返回至分光镜 (6)后经像散透镜(10)聚焦在四象限探测器(11)上；红外激光光源(1 发出的激光依次经导光光纤(13)、准直镜(14)和聚焦镜(1 聚焦于红外反射镜(16)上形成一聚焦点，所述聚焦点与显微物镜(3)的前焦点重合，所述红外反射镜(16)位于直角棱镜(9)和显微物镜(3)之间，并且光轴成45° ；由所述红外反射镜 (16)将红外激光垂直反射进入显微物镜(3)中，在显微物镜(3)中出射的平行红外激光束经过被测物体(19)反射回显微物镜(3)，位于红外反射镜(16)和显微物镜(3)之间的红外分光镜(17)将返回的红外激光束反射到二维PSD(IS)上。
2.根据权利要求1所述的法向位移和角度传感光学测头，其特征是所述自动对焦单元 (1)采用去除聚焦透镜的DVD激光读取头。
3.权利要求1所述法向位移和角度传感光学测头的测量方法，其特征是设置所述四象限探测器(11)的四个电压信号经放大后输出的电压信号分别记为UA、 UB、Uc和UD，则归一化聚焦误差信号FES = [ (UA+UC) -(UB+UD) ]/ (UA+UB+UC+UD)；以被测物体 (19)表面和显微物镜(3)的焦面之间距离Ad为横轴，以归一化聚焦误差信号FES为纵轴得到一对应S曲线，利用S曲线中的线性关系段P测量被测物体(19)表面在Z轴方向的位移量；根据反射的红外激光束聚焦在二维PSD (18)上位置的变化，判断被测物体(19)的表面在X或Y方向上的倾角大小。
全文摘要
本发明公开了一种法向位移和角度传感光学测头及测量方法，其特征是半导体激光器发出的激光依次经分光光栅、分光镜和反射镜后经准直成平行光束，平行光束经直角棱镜反射进入显微物镜；被待测物体反射的光束按照原路返回至分光镜后经像散透镜聚焦在四象限探测器上；红外激光光源发出的激光依次经导光光纤、准直镜和聚焦镜聚焦于红外反射镜上形成与显微物镜的前焦点重合的聚焦点，由红外反射镜将红外激光垂直反射进入显微物镜中，在显微物镜中出射的平行红外激光束经过被测物体反射回显微物镜，红外分光镜将返回的红外激光束反射到二维PSD上。本发明可有效地用于直线导轨三自由度几何误差测量和标定，及自由曲面的表面形貌重构等。
文档编号G01B11/26GK102519368SQ20111044522
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者刘宁, 卢荣胜, 史艳琼, 夏瑞雪, 李琪, 董敬涛 申请人:合肥工业大学
专业数控铣床产品供应商
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