法向位移和角度传感光学测头及测量方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服
技术介绍
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，实现三个自由度同时测量的功能。本专利技术为解决技术问题所采用的技术方案是本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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+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
技术介绍
相比，本专利技术具有如下优点1、本专利技术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、本专利技术将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、本专利技术具有高度的集成性，结构紧凑，体积小，便于安装和集成在被测环境中； 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、本专利技术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。附图说明图1为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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+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，利用该线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：卢荣胜，董敬涛，李琪，夏瑞雪，史艳琼，刘宁，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：