含参考光路的时间差法动态调焦式光学测头

随着现代工业生产、航空航天等技术的发展,对机械件、光学件和电子件等几何形貌质量控制、关键的机械零件和光学件表面的精确测量以及很多具有强反射工件表面测量的要求越来越高,因此,要求测量传感器及其仪器的精度越来越高,结构也越来越小.目前,光学非接触测头具有效率高、响应快、无摩擦、可测量软质表面等优点,已经成为测头发展的主流,其中离焦法测头是目前测量精密曲线表面的优秀测头之一[1~5].离焦法测头的垂直分辨力为纳米级,但是它的测量范围小,工作距离短,水平分辨力受到衍射极限的限制;共焦法测头具有良好的垂直和水平分辨力,响应特性好,光强对比度强,抗杂散光能力强,但是它对针孔尺寸和位置要求严格,测量范围较小[6];动态扫描调焦式光学测头在光路中引入了音叉振动机构带动的透镜,使光路的焦点位置发生变化,达到自身调焦的目的,通过采用高精度的微型位移测量系统测量振动透镜的位移量来确定被测表面的位置,这种动态扫描调焦法测头解决了测量范围小的问题,但是它要求微型位移传感器的精度高、体积小,因而价格也比较昂贵[6~8].

　　针对各种光学测量方法存在的一些问题,笔者提出了一种含参考光路的时间差测量法———调焦式激光位移传感器及其测量仪.该传感器通过测量参考光路和测量光路的时间差实现了位移测量.从原理上说,测量时间比测量位移更容易实现高的分辨率和测量精度,它与传统的离焦法、主动共焦法和调焦法测头相比,具有更多的测量功能,不需要价格昂贵的微型位移传感器,而且结构更加简单.

1　工作原理

　　为克服传统离焦法测量范围较小的问题,放弃用离焦光强的大小判断离焦量的方法,引入调焦的概念,即采用透镜的振动,使焦点落在被测表面上,让离焦量回零,通过间接测量振动透镜的位移量得到被测物体表面的位置,因此,振动透镜位移量的测量将直接影响系统的测量精度.对振动透镜位移量的测量,可以用各种各样的微位移传感器,但是,对于要达到亚微米级的测量精度,而且要求体积小、精度高的测量系统,是比较困难的.在研究调焦测头系统的基础上,提出一种通过测量系统中两路光信号的时间间隔来间接得到位移量的测量原理,如图1所示.

　　在图1中,激光器1的光源经过分光镜3、透镜7 L2、8 L3、9 L4、分光镜10和透镜11 L5聚焦在被测物体15的表面上.系统中的两个光路分别称为参考臂光路和测量臂光路.由分光镜10、透镜12 L6、光阑13和光电接收器14组成的参考臂对应振动透镜的平衡位置,即当振动透镜7 L2位于平衡位置时(测量原点位置),参考臂上的光电接收器14接收到信号的光强最大值,且始终是这样,与被测量点无关.由分光镜3、光阑2和光电接收器4组成的测量臂,当电磁线圈6激励音叉5产生振动时,测量臂上的光电接收器4在振动透镜7 L2振动到某一位置时,使透镜11 L5聚光点位于被测物体表面,获得信号光强的最大值.因此,在测量过程中,如果被测面不在测头的原点,则两个光电接收器件所接收到光强最大值的时刻将存在时间差.通过测量该时间差,即可得到被测物体相对于测头零点的位移量,这样就将被测物体的位移测量转换为时间差的测量.由于测量时间量比测量振动透镜的位移量要简单得多,精度也较高,所以使用完全相同的两路光电信号处理方法进行测量,不仅可以提高调焦法测头的测量精度,而且也省去了高精度位移传感器及其测量系统,大大简化了测量系统,同时也降低了测头及其测量系统的成本.