基于相位差法共焦式测头的研究

　　随着现代工业技术的发展,人们对产品质量的要求越来越高,诸如机械件、光学件和电子件等几何形貌质量控制的要求越来越高。因此人们希望有更好的、新型的、简单易用的非接触检测设备可以满足形貌质量控制的要求。在这些对物体进行非接触形貌检测的测头中[1~3],离焦法测头测量精度较高,其垂直分辨力为纳米级,但缺点是测量范围小,工作距离短,不利于实际应用。共焦法测头在光路中引入了音叉振动机构带动透镜振动,使光路的焦点位置发生变化,从而达到自身调焦的目的,并采用高精度的微型位移测量系统测量振动透境的位置来确定被测表面的位置。这种共焦法测头解决了离焦法测量范围小的问题,但缺点是内部需要一个微型的、高精度的微位移传感器,这就使得这种测头结构复杂,而且价格十分昂贵[4~6]。本文给出了一种新型的含参考光路的共焦式激光测头。这种测头舍弃了共焦式测头中的微型位移传感器,通过计算参考光路与测量光路的两个峰值信号的相位差,获得被测表面位置。这种方法测量精度高、稳定性好,同时简化了测量系统的结构,降低了成本。

　　1　测量原理

　　基于相位差法共焦式测头测量原理如图1所示。

　　光源1发出的激光束聚焦在被测物13表面。反射光通过分光镜2进入光阑3,光电转换器4把光信号转换为电信号输出。激光测头系统两光路分别称为参考臂光路和测量臂光路。由分光镜8、透镜9、光阑10、光电接收器11组成参考臂。每当音叉5上附着的振动透镜6通过平衡位置时,参考臂上的光电接收器11接收到信号的光强最大值,并始终是这样,而与被测物13表面的位置无关。由分光镜2、光阑3和光电转换器4组成测量臂。每当振动透镜6振动到某一位置,使透境12聚光点位于被测物体13表面时,反射光汇聚在光阑3上,测量臂光电转换器4获得测量信号光强的最大值。因此,在测量过程中,如果被测表面不在测头的原点,则参考臂光电转换器11和测量臂光电转换器4所接收到光强信号最大值的时刻将存在着一个相位差。通过测量这个相位差,即将被物体13相对于测头原点的位移量转换为相位差的测量。该测头使用完全相同的两路光电信号来进行旁向测量,这要比测量振动透镜位移量简单得多,它不仅提高了激光测头的测量精度,而且也省去了昂贵的位移传感器及其复杂的测量系统。同理,通过互换被测物13和参考臂(光阑10、光电转换器11)的位置,测头即可实现垂直测量功能。

　　由原理图1可知,整个系统是基于透镜6的振动来调整光学系统的焦点位置。测头对被测表面的轴向变化量是根据振动透镜的位移量换算出来的,因此音叉双透镜的振动位置量Δ和物镜聚光点δ之间的几何关系,可以由图2获得。