激光聚焦伺服式轮廓仪聚焦检测信号模型分析

　　聚焦探测技术自从被引入表面形貌测量的研究中以来,基于各种光学原理的光学探针轮廓测量仪,在工程应用和科学研究方面的使用日益广泛[1].对于工程表面形貌的测量,基于聚焦探测原理的激光聚焦伺服式轮廓仪是一种较理想的测量仪器,国外已研究出类似的产品,但是价格比较昂贵,且由于测量系统对于有一定倾斜角的表面的处理方法还不成熟,实际应用受到局限.而通过线切割方法设计的音圈电机,具有重复性高,线性好,响应速度快,无滞后等优良特性[2],可使数字伺服聚焦非接触传感器的精度得以提高.

　　1　聚焦探测法的基本原理

　　本测量系统是在激光聚焦伺服式位移传感器的基础上构造的,而该传感器基于聚焦探测原理如图1所示.

　　聚焦探测法的基本原理就是把聚焦光束当作探针,利用光电探测器测量被测表面的微观起伏偏离聚焦物镜焦点的微小离焦量,而离焦量的线性测量值就反映了被测表面的形貌.本测量系统是在传感器中引入聚焦伺服系统,系统在进行扫描测量过程中,被测表面上的微观起伏使光电探测器不断产生聚焦误差信号,这一信号经过聚焦伺服系统被用来控制物镜上下移动,从而使聚焦光点始终聚焦在被测表面上,表面形貌垂直方向的信息由物镜的移动决定.由于该测量方法中引入了聚焦伺服系统,其垂直测量始终在线性区间内,垂直分辨率取决于聚焦伺服精度,测量范围可达1 mm.

　　2　傅科改进法检测原理

　　图2所示聚焦检测光路,对傅科刀口法进行了改进,称为改进的傅科刀口法[2].其最大特点是采用具有较大顶角的分束棱镜P取代刀口作为离焦检测元件,从被测表面反射回来的光束,经物镜、分光镜会聚于分束棱镜P的顶角附近,光束被分裂成2束光后,分别投射到两组二象限光电探测器上,离焦量δ产生的聚焦误差信号

　　3　激光聚焦伺服式位移传感器的整体设计

　　如图3所示,激光聚焦伺服式位移传感器主要由基于傅科改进法的聚焦检测光路、聚焦伺服系统、定量测量装置及机械调整机构等部分组成.

　　半导体激光二极管发出的激光束,经透镜2和3扩束、整形及准直后成为平行光.该光束通过偏振分光镜BS,变为只有一个振动方向的线偏振光.此线偏振光透过1/4波片后变成圆偏振光,再经聚焦透镜形成圆形光斑,会聚于被测工件表面.同时,从被测工件表面反射回来的光束仍是圆偏振光,当再次通过1/4波片时,又变为线偏振光,但偏振方向旋转了90°,因此入射光束与反射光束虽然共用光路但不会互相干涉.反射光到达偏振分光镜BS后,不能透射而返回激光器,该光束由BS反射后,经耦合物镜L2到达分束棱镜P上,被分成两束光分别投射到两组二象限光电探测器上,产生聚焦误差信号.聚焦误差信号的正负反映了焦点偏移的方向,聚焦误差信号的大小反映了焦点偏移的多少.