非接触表面轮廓测量仪的研制

　　0 引言

　　接触式测量由于接触力的存在,容易损坏工件表面和磨损测头,对于某些精微表面的测量几乎是无能为力,所以非接触式测量得到迅速发展。对于工程表面形貌测量,基于聚焦探测原理的光针式轮廓仪是一种较理想的测量仪器,英国RankTaylor Hobson公司研制出可以达到纳米级别的产品,但是价格比较昂贵,实际应用受到局限[1~2]。

　　本文提出的这种测量系统改变了传统的光学测量中的驱动光学测头上下移动找焦点的思路,保持光学测头不动,采用压电陶瓷驱动工作台从而带动工件上下移动,使得光电探测器始终处于平衡状态,另外采用正交衍射光栅传感器作为计量系统,从而得到工件的表面形貌特征,极大地提高了测量的精度。

　　1 非接触表面轮廓测量仪的结构与测量原理

　　表面轮廓测量仪主要基于改进的傅科刀口法原理,测量方法如图1所示。半导体激光器整形及准直后的平行光,经透镜系统聚焦到待测表面,反射光经过BS棱镜、聚焦透镜、分束棱镜后,导向聚焦探测器,聚集探测器可以分辨光是否聚焦。

　　图2为轮廓仪的结构原理图。测量过程中,工件在X-Y向电机驱动下在X-Y平面内移动,得到一个测量点平面坐标,聚焦传感器在起始点先调整到平衡位置,工作台运动时,由于工件表面轮廓的起伏,聚焦传感器偏移其平衡位置,该信号经光电探测器获得后,经过放大,A/D转换处理送给计算机,根据得到的光电信号,计算机发指令给AD669,数字信号转成模拟信号,功率放大后,Z向驱动电机驱动斜面导轨副移动,并经过压电陶瓷微调,带动工件随之上下移动,最终使得光电探测器接受的光强信号平衡。这时工件上下移动的距离由衍射光栅干涉位移传感器测得,这个距离即为零件表面轮廓在该测量点Z方向上的变动量,该信号经光电信号处理电路(前置放大,细分,辨向,计数)送到计算机,即为一个采集到的Z向坐标,如此重复该过程,可得到一系列数据,送到计算机经表面轮廓评定软件处理即可。

　　2 聚焦信号的模型分析

　　由波动光学理论可知,半导体激光器光束为TEM00高斯光束,沿Z轴方向传播的高斯光束在XY平面上的幅值分布可表示为:

　　当沿着X轴方向时(y=0),有

　　其在刀口平面上幅值被调制为:

　　其傅立叶变换为:

　　根据衍射理论,在检测平面上沿着X轴的光强为:I(x)=|F(x)|²,从而有:

　　根据波动光学分析可以证明入射光束沿着Y轴方向不受分束棱镜中心位置影响。

　　由式(7)知,当入射光束到达刀口平面时二象限探测器(由四象限探测器改变而成,如图4所示)的两边的光强分布均匀,光强是关于y轴对称的偶函数,光积分两边相等;偏离刀口平面时候,检测平面沿着Y轴方向的光强不对称,光强峰值根据离焦状态向左或者向右移动,引起光电探测器两边接收信号不平衡,产生离焦误差信号。