CN1026353C - 主动式激光位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于物体位移测量的主动式激光位移传感器，它由光源系统、偏光干涉系统、伺服调焦物镜、焦点检测器和光电接收系统五大部分所构成。由于本发明采用了非接触被测物体表面、偏光干涉、焦点扫描和伺服调焦技术，所以本发明具有应用范围广，不仅可以测量软硬材料物体的位移，还可以测量液体表面，无论是光滑或粗糙的表面均可测量。

Description

本发明属于线性尺寸测量技术领域，涉及一种对物体位移进行非接触、亚微米精度、毫米级量程的测量之光学仪器。

现有的激光干涉测量位移的技术都是基于镜面反射或特定漫射面的散斑变化来工作的，对实际物体表面（特别是生产过程中的各种加工表面）不能普遍应用，目前尚未见到对一般表面的物体位移进行干涉计量的技术。中国专利申请89202126.8（公告号CN20458411U）公布了一种非接触式激光干涉比较仪，它采用临界角法非接触光触针定位、迈克尔逊干涉测长，该技术可以不破坏被测表面，测量光由固定在移动部件上的动反射镜返回，与由固定在机架上的参考镜返回光发生干涉来比较被测件的尺寸。移动部件包括光触针系统、动反射镜及机械构件、结构较复杂，不能做快速运动。因此不能用于运动物体的位移测量，通常其被测件静止地安放在工作台上同时该专利申请的技术目的在于保护被测件表面不被接触式触头损坏，并非为适应不同的加工表面。

本发明的目的是提供一种适用于一般加工表面（包括光滑和粗糙表面、液体或固体表面、静止或运动物体表面）的物体位移的传感器。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的，它由激光干涉测长技术和自动调焦技术组合而成，包括光源系统3、偏光干涉系统1、光电接收系统2、伺服调焦物镜5和焦点检测器4五大部分。

所说的光源系统3最好是由一个小型激光器和一组准直透镜组成;偏光干涉系统1通常由位于入射光路上的半波片、偏振分束器、位于测量光路上的1/4波片、位于接收光路上的检偏器和位于参考光路上的1/4波片与参考反射镜构成的参考臂所构成。使用偏光元件-偏振分束器、半波片和1/4波片等的目的是：<1>有效隔除杂散光、<2>提高光能利用率、<3>防止光返回激光器，参考反射镜镀反射膜，其反射率为0.4-0.6，保证当被测表面的反射率在0.04-0.95之间时光电元件工作在动态范围之内;所说的光电接收系统2由会聚透镜、小孔光栏、光电探测器及条纹处理电路所构成;伺服调焦物镜5通常由永久磁铁、导轨（弹性导轨或精密圆柱导轨）、聚焦透镜和线圈构成;焦点检测器4通常由聚焦检测元件、分割探测器和运算电路构成。

由光源系统出射的准直激光束入射到偏光干涉系统的偏振分束器上，将其入射光分成两束光，一束由干涉系统内的参考反射镜反射形成参考光，另一束光射到伺服调焦物镜上并由该物镜聚焦到被测物表面上，在被测表面反射，再经伺服调焦物镜返回到干涉系统作为测量光，参考光和测量光发生干涉，该干涉条纹的变化反映了被测表面的位移，该条纹由光电接收系统接收并处理成数字量显示出来。本发明传感器的特点在于测量光束被聚焦、焦点正好落于被测物表面上，从被测物表面返回的测量光由偏振分束器的分光膜反射光束入射到焦点检测器。当被测物表面发生位移时，由焦点检测器测出被测物表面离开光焦点的误差信号，该信号反馈到伺服调焦物镜、使其焦点迅速调节到被测物表面 上，同时伺服调焦物镜的数值孔径大于0.5。始终保持被测物表面上光照斑点尺寸小于所用光波长。

本发明由于采用伺服调焦的偏光干涉技术，非接触的激光焦点扫描法测量，具有以下优点：<1>可测软硬材料的固体及液体表面的位移;<2>可测光滑和一般粗糙表面的物体位移;<3>可对快速位移进行测量、可用于生产线上工件尺寸的监测;<4>可以测量表面反射率不同的物体。

下面结合附图说明本发明的实施例。

图1为本发明结构示意图

图2为一种焦点检测器的原理图

图3为焦点检测器对离焦量的典型响应曲线（误差信号）

实施例结构由图1所示，光源系统中的激光器采用半导体激光器33，发出波长特定的偏振激光32，通过准直透镜31后成为准直光束21，该光束通过可绕光轴旋转的半波片22可改变其偏振方向，半波片带有旋转机构23，光束经由镀有偏振分束膜20的直角棱镜16构成的偏振分束器后，其P分量之光12（偏振面平行于入射面-图中纸面的光）透射到参考臂13、14，而S分量的光24（偏振面垂直于入射面）由位于测量光路上的1/4波片、伺服调焦物镜和被测物体所构成的测量臂上全部反射，光束12和24的强度比可由半波片22的转动来调节，为确保对不同反射率表面进行测量时干涉条纹的对比度，在测量臂和参考臂中均设置有1/4波片7、13，两1/4波片的主方向与光束24和12的偏振方向各成45角，光线两次通过1/4波片后偏振方向将旋转90°，测量返回光8变成P光，透过偏振分束器上的分光膜10和平行四边形棱镜11后可全部透过偏振分束膜20，参考返回光变成S光，全部被偏振分束膜20反射见图中光束19，这两束光17、19都入射到检偏器18上。检偏器的主方向与这两束光17、19的偏振方向都不一致，透过检偏器后17、19光分量之间产生干涉条纹25，该条纹经透镜26会聚及小孔光栏27截取后，被光电元件28接收，当被测物体6发生位移时，返回光束17、19之间的光程差将发生变化，干涉条纹发生移动，光电元件28接收到条纹移动信号经29放大整形后计数，记下条纹移动数为N，由N可得被测件6的垂直位移L＝1/2·λ，（式中λ为所用光源之波长），30为输出接口。

在测量臂上安装有聚焦物镜38，其数值孔径NA＞0.5，测量光经聚焦物镜38会聚后到达被测物表面6，在被测物表面6反射后返回到分光膜10后分为两束光，其中透射光为测量返回光17，反射光34进入焦点检测器4，当被测物发生位移时，聚焦光束的焦点偏离被测物表面，焦点检测器4（其原理参见图2）能在数十微光范围内检测出焦点偏离被测物表面的误差信号，该信号反馈到伺服调焦物镜5中的线圈35，该线圈在由永久磁铁36提供的磁场中作上下移动，带动聚焦物镜38自动对焦，使光焦点始终保持在被测物表面上，从而保持物面上光照斑点尺寸小于光波长从而保证测量返回光8仍为平行光束并且无散斑。37为弹性导轨，一般为两片弹性膜片，为了有较宽的频响应范围，物镜38重量应很轻。

所说的焦点检测器4如图2所示，焦点检测可采用象散法、傅科法、临界角法及离轴探测法等等。图2为其中临界角法原理图。当被测物表面6位于物镜38的焦点时（B位置），从物面反射回来的光束34为平行光，入射到临界角棱镜39的工作面40之入射角各处相同，出射光仍为对称光束，光电接收元件45、41上接收到光强I（45）、I（41）相同，经加法器42、减法器44和除法器43处理后其输出误差信号为E＝（I（45）-I（41））/（I（45）+I（41））＝0，用除法器43的目的是清除激光光强漂移和被测物表面反射率的变化造成调焦误差。

当被测物表面处于焦点前A位置，反射光34为会聚光、中心光线对临界角棱镜工作面40之入射角为全反射临界角，而位于光轴上方的光线入射角大于全反射临界角，这部分光以全反射的形式入射到光电接收元件45上，而光轴下方的光线入射角全小于全反射临界角，只有部分光被反射到光电接收元件41上，这时I（45）大于I（41），误差信号E＞0，同理，当被测物表面处于焦点后方C处时，E＜0，所以误差信号E反映了被测表面离开焦点的距离。该信号反馈到伺服调焦物镜中的线圈35，可控制聚焦物镜38之焦点始终保持在被测物表面上。

图3为典型对焦误差曲线，纵坐标为误差信号 E;横坐标为被测物表面离开聚焦透镜38焦点的距离，其中A到C的距离约几十微米。

Claims (2)

1、一种主动式激光位移传感器，包括激光光源系统(3)发射的准直光束(21)入射到偏光干涉系统(1)中，由偏光干涉系统(1)中的偏振分束器(16)、(20)分成两束光(12)和(24)，其中一束光(12)作为参考光，另一束光(24)作为测量光射入会聚透镜，会聚透镜的焦点落在被测物表面(6)上，被测物表面(6)反射的光束(8)经偏振分束器(10)、(11)后，一束光进入光电接收系统(2)，其特征在于测量光(24)透射的会聚透镜是一自动调焦的伺服调焦物镜(5)，当被测物表面(6)反射光(8)经过伺服调焦物镜(5)被偏振分束器(10)、(11)分成两束光(17)和(34)、一束光(17)作为测量光与参考光(19)通过检偏器(18)进入光电接收系统(2)，另一束光(34)进入焦点检测器(4)，由焦点检测器(4)检测出伺服调焦物镜(5)的焦点偏离被测物表面(6)的误差信号，此信号反馈到伺服调焦物镜(5)中，使其伺服调焦物镜(5)的焦点始终保持在被测物表面(6)上。

2、依照权利要求书1所述的一种主动式激光位移传感器，其特征在于伺服调焦物镜（5）含有一聚焦透镜（38）被固定在一线圈（35）中，线圈（35）是在永久磁铁（36）内的弹性导轨（37）上，焦点检测器（4）测得误差信号输入到线圈（35）上，线圈（35）带动聚焦透镜（38）在永久磁铁（36）提供的磁场中作上或下移动。

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