CN103162625A - 基于差动象散离焦检测的超精密三维瞄准与测量传感器 - Google Patents

Abstract

基于差动象散离焦检测的超精密三维瞄准与测量传感器属于精密仪器与测量技术领域，由差动象散离焦检测单元、柔性悬挂机构、精密调节机构和外壳组成，柔性悬挂机构由刚性十字架、弹性膜片、反射镜支架、测针组成，将测针的位移以高位移传递率传递到反射镜；差动象散离焦检测单元由DVD激光头、反射镜组成，对反射镜的位移进行高精度差动检测；精密调节机构由可移动楔形块、从动楔形块组成，实现初始状态下DVD激光头的高精度零位聚焦；本发明最大可测深宽比可达40∶1及以上，分辨力可达纳米级，解耦方便，抗干扰能力强，为具有大深宽比特征的深孔、狭槽等内腔体零件的高精度测量提供了一种有效的传感器。

Description

基于差动象散离焦检测的超精密三维瞄准与测量传感器

技术领域

本发明属于精密仪器与测量技术领域，特别是一种基于差动象散离焦检测的超精密三维瞄准与测量传感器。

背景技术

高精度测头/传感器是各种精密坐标测量机、测长机、尺寸与形状测量仪的关键部件，近年来，随着具有大深宽比的狭槽、深盲孔等内腔体零件的广泛应用，对瞄准与测量传感器的可测深度和测量精度都提出了更高要求。扫描式传感器具有精度高、可同时实现瞄准与测量等突出优点，是超精密测量仪器与装备的核心技术单元，国外严格禁运。

扫描式瞄准与测量传感器在原理上是采用检测机构与柔性位移传递机构相结合的方法，测量力引起柔性导轨或柔性悬挂机构的变形，测端的位移以一定的位移传递比传递到检测机构。现有的扫描式瞄准与测量传感器的检测原理主要有基于电容检测、基于电感检测、基于压阻式检测原理等，但成本高、工艺复杂、加工困难。DVD激光头是基于象散离焦检测原理的光电器件，在PC机、影碟机、车载音乐播放器等领域有着广泛应用。DVD激光头检测线位移分辨力优于1nm，可靠性高，将DVD激光头作为扫描式瞄准与测量传感器的检测元件，具有成本低、集成度高、使用方便等优点。因此，采用将DVD激光头作为检测元件的瞄准与测量传感器是目前各国科研机构研究的一个热点。

匈牙利布达佩斯技术大学的Gyula Hermann与南台科技大学的Chen-Yu Chiu开发的基于象散离焦检测的扫描式传感器(Gyula Hermann，“Design of Tactile Measuring Probes forCoordinate Measuring Machines”，Acta Polytechnica Hungarica，2009，1，63-77；2.Chih-Liang Chuand Chen-Yu Chiu，“Development of a low-cost nanoscale touch trigger probe based on twocommercial DVD pick-up heads”，Meas.Sci.Technol，2007，18，1831-1842)测端在X、Y轴向的位移经悬挂机构转化为悬挂机构上其中一面反射镜的角位移，由一个经DVD改装的角位移传感器同时检测X、Y向的位移变化，测端在Z向的位移经悬挂机构转化为悬挂机构中心反射镜的位移，由一个基于DVD激光头的线位移传感器检测Z轴向的位移。这种传感器虽然结构上较为简单，但存在下列不足：1)一个角位移传感器同时测量X、Y向的位移无法抑制共模干扰，因外界环境干扰引起的机械变形导致的反射镜反射面角度的变化引起的误差无法消除；2)基于象散离焦检测原理的传感器在测量角度时，其四象限探测器与X、Y轴有严格的对应关系，对角度传感器的安装方向要求非常严格，稍有偏差就会引起X、Y向的耦合。

合肥工业大学的王伟丽、陈叶金等开发的基于象散离焦检测的扫描式传感器(1王伟丽，“纳米三坐标测量及机械结构及接触式测头技术研究”，合肥工业大学博士学位论文，2008，9；2.陈叶金，“创新型微纳米测量探头技术的研究”，合肥工业大学博士学位论文，2007，2)悬挂机构靠四根钼线悬挂在外壳上，测端的位移经过悬挂机构转化为悬挂机构上四根梁上反射镜的位移。这种结构存在主要局限性在于：1)提高分辨力与减小横向尺寸相矛盾，不能有效的提高传感器的可测深宽比，对于150mm长的测针，若要获得1：1的位移传递比，即使对于刚度无穷大的理想测针，传感器的横向尺寸也要至少大于150mm；2)钼线装配困难，四根钼线装配稍有差别将直接导致传感器横向刚度不同。

综上所述，现有基于象散离焦检测的位移传感器存在分辨力与传感器横向尺寸的矛盾，共模干扰难以消除，存在轴间耦合等问题，应用受限。

发明内容

本发明提供了一种基于差动象散离焦检测的超精密三维瞄准与测量传感器，达到解决现有基于象散离焦检测的位移传感器存在的分辨力与传感器横向尺寸的矛盾和共模干扰难以消除、存在轴间耦合等问题、提高了传感器的可测深度、为各种尺寸、形状测量仪器与装备、尤其是具有大深宽比的深孔、狭槽等内腔体零件的高精度测量提供有效的传感器的目的。

本发明的技术解决方案是：

基于差动象散离焦检测的超精密三维瞄准与测量传感器，由上安装侧板、横向微动调节板、支架、下挡板、下框、下安装板、柔性悬挂机构、传感机构组成，其中在支架的上端部上从下而上依次配装横向微动调节板和上安装侧板，在支架的下端部上从上而下依次安装下挡板、下框和下安装板，传感机构配装在支架内侧，柔性悬挂机构安装在传感机构下端部上，所述传感机构由差动象散离焦检测单元和精密调节机构组成，差动象散离焦检测单元包括第一、二、三、四、五DVD激光头和第一、二、三、四、五反射镜，在空间坐标系XYZ内，X向的第一、二DVD激光头对X向的第一、二反射镜位移进行差动检测，Y向的第三、四DVD激光头对Y向的第三、四反射镜位移进行差动检测，Z向的第五DVD激光头对Z向的第五反射镜位移进行检测，第一、二、三、四、五DVD激光头的出射光垂直于依次相对应的第一、二、三、四、五反射镜的反射面，第一、二、三、四、五反射镜安装在反射镜支架上，其中X向的第一、二反射镜与Y向的第三、四反射镜安装在反射镜支架侧面，Z向的第五反射镜安装在反射镜支架顶端，X向的第一、二反射镜、Y向的第三、四反射镜、Z向的第五反射镜反射镜的反射面两两垂直；精密调节机构由第一、二、三、四、五可移动楔形块、第一、二、三、四、五从动楔形块、第一、二、三、四、五滑轨、推拉锁紧机构组成，第一、二、三、四、五可移动楔形块和依次相应第一、二、三、四、五从动楔形块的接触面与相对应第一、二、三、四、五反射镜的反射面不平行，第一、二、三、四DVD激光头依次分别安装在相应的第一、二、三、四从动楔形块上，第五DVD激光头通过轴上DVD衔接件安装在第五从动楔形块上，第一、二、三、四、五可移动楔形块在相应的第一、二、三、四、五滑轨和第一、二、三、四、五从动楔形块之间滑动，使第一、二、三、四、五DVD激光头与第一、二、三、四、五从动楔形块一起产生垂直于各自相应轴的运动；推拉锁紧机构由推拉元件和锁紧元件组成，推拉元件依次调节第一、二、三、四、五可移动楔形块分别与第一、二、三、四、五从动楔形块之间的接触配合，锁紧元件将精密调节机构压紧在相应的第一、二、三、四、五滑轨上；第一、二、三、四、五滑轨固定在支架上；所述柔性悬挂机构由刚性连接体、第一、二、三、四弹性膜片、反射镜支架、测针组成，第一、二、三、四弹性膜片分别均布于刚性连接体的四周，X向的第一、二弹性膜片互相平行或共线，Y向的第三、四弹性膜片互相平行或共线，且X向的第一、二弹性膜片与Y向的第三、四弹性膜片互相垂直，第一、二、三、四弹性膜片分别与刚性连接体和支架固接，反射镜支架与测针分别安装在刚性连接体的上、下表面上。

所述第一、二、三、四、五DVD激光头与相应第一、二、三、四、五从动楔形块连接方式为螺纹连接或粘接。

所述第一、二、三、四、五反射镜与反射镜支架之间采用螺纹连接或粘接。

所述第一、二、三、四、五可移动楔形块和相应第一、二、三、四、五从动楔形块的接触面与相应第一、二、三、四、五反射镜的反射面夹角为0.001rad～0.05rad。

所述推拉锁紧机构的推拉元件为螺钉与顶丝组成或弹簧与螺钉组成或弹簧与顶丝组成。

所述推拉锁紧机构的锁紧元件为片簧或弹簧或弹性垫圈。

本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：

(1)本发明提出了一种基于差动象散离焦检测及DVD激光头空间差动布置的高精度三维位移检测方案，解决了传感器横向分辨力与横向尺寸之间的矛盾，测针长度显著增加，大大提高了传感器的可测深宽比。采用差动检测方法可有效抑制共模干扰，分辨力提高一倍。

(2)本发明通过DVD激光头检测一维双向的线位移，基于柔性悬挂机构的位移传递机构，在X、Y、Z向互不耦合，解耦方便，消除了将DVD激光头作为角度传感器的技术解决方案带来的X、Y向耦合的问题。

(3)本发明通过楔形块调节机构对DVD激光头进行高精度零位聚焦调节，仅仅需要两个楔形块即可使DVD激光头实现垂直于反射镜的纳米分辨力的位移调节。

(4)本发明通过DVD激光头检测反射镜的线位移，DVD激光头已经商业化大规模生产，技术成熟、成本低廉。

附图说明

图1为本发明的基于差动象散离焦检测的超精密三维瞄准与测量传感器的三维视图；

图2为本发明中支架结构示意图；

图3为本发明中横向精密调节机构结构示意图；

图4为本发明中精密调节机构的一个实施例结构示意图；

图5为本发明中悬挂机构中弹性膜片口字形布局的一个实施例结构示意图；

图6为本发明中悬挂机构中弹性膜片十字型布局的一个实施例结构示意图；

图7为本发明中差动象散离焦检测与悬挂机构原理示意图；

图8为本发明中DVD激光头中四象限探测器接收离焦误差信号原理图；

图9为本发明中DVD激光头内部结构原理示意图；

图中，1a第一反射镜、1b第二向反射镜、1c第三反射镜、1d第四反射镜、1e第五反射镜、2刚性连接体、3a第一DVD激光头、3b第二DVD激光头、3c第三DVD激光头、3d第四DVD激光头、3e第五DVD激光头、4a第一可移动楔形块、4b第二可移动楔形块、4c第三可移动楔形块、4d第四可移动楔形块、4e第五可移动楔形块、5a第一从动楔形块、5b第二从动楔形块、5c第三从动楔形块、5d第四从动楔形块、5e第五从动楔形块、6支架、7a第一弹性膜片、7b第二弹性膜片、7c第三弹性膜片、7d第四弹性膜片、8下挡板、9下框、10下安装板、11测针、12反射镜支架、13横向微动调节板、14a第一滑轨、14b第二滑轨、14c第三滑轨、14d第四滑轨、14e第五滑轨、15接触面、16轴向DVD衔接件、17锁紧元件、18半导体激光器、19象散离焦检测镜组、20四象限探测器、21悬挂机构、22线位移传感器、23反射镜、24角位移传感器、25推拉元件、26推拉锁紧机构、27精密调节机构、28差动象散离焦检测单元、29柔性悬挂机构、30上安装侧板、31传感机构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明，并给出实施例。

基于差动象散离焦检测的超精密三维瞄准与测量传感器，由上安装侧板30、横向微动调节板13、支架6、下挡板8、下框9、下安装板10、柔性悬挂机构29、传感机构31组成，其中在支架6的上端部上从下而上依次配装横向微动调节板13和上安装侧板30，在支架6的下端部上从上而下依次安装下挡板8、下框9和下安装板10，传感机构31配装在支架6内侧，柔性悬挂机构29安装在传感机构31下端部上，所述传感机构31由差动象散离焦检测单元28和精密调节机构27组成，差动象散离焦检测单元28包括第一、二、三、四、五DVD激光头3a、3b、3c、3d、3e和第一、二、三、四、五反射镜1a、1b、1c、1d、1e，在空间坐标系XYZ内，X向的第一、二DVD激光头3a、3b对X向的第一、二反射镜1a、1b位移进行差动检测，Y向的第三、四DVD激光头3c、3d对Y向的第三、四反射镜1c、1d位移进行差动检测，Z向的第五DVD激光头3e对Z向的第五反射镜1e位移进行检测，第一、二、三、四、五DVD激光头3a、3b、3c、3d、3e的出射光垂直于依次相对应的第一、二、三、四、五反射镜1a、1b、1c、1d、1e的反射面，第一、二、三、四、五反射镜1a、1b、1c、1d、1e安装在反射镜支架12上，其中X向的第一、二反射镜1a、1b与Y向的第三、四反射镜1c、1d安装在反射镜支架12侧面，Z向的第五反射镜1e安装在反射镜支架12顶端，X向的第一、二反射镜1a、1b、Y向的第三、四反射镜1c、1d、Z向的第五反射镜1e反射镜的反射面两两垂直；精密调节机构27由第一、二、三、四、五可移动楔形块4a、4b、4c、4d、4e、第一、二、三、四、五从动楔形块5a、5b、5c、5d、5e、第一、二、三、四、五滑轨14a、14b、14c、14d、14e、推拉锁紧机构26组成，第一、二、三、四、五可移动楔形块4a、4b、4c、4d、4e和依次相应第一、二、三、四、五从动楔形块5a、5b、5c、5d、5e的接触面15与相对应第一、二、三、四、五反射镜1a、1b、1c、1d、1e的反射面不平行，第一、二、三、四DVD激光头3a、3b、3c、3d依次分别安装在相应的第一、二、三、四从动楔形块5a、5b、5c、5d、5e上，第五DVD激光头3e通过轴上DVD衔接件16安装在第五从动楔形块5e上，第一、二、三、四、五可移动楔形块4a、4b、4c、4d、4e在相应的第一、二、三、四、五滑轨14a、14b、14c、14d、14e和第一、二、三、四、五从动楔形块5a、5b、5c、5d、5e之间滑动，使第一、二、三、四、五DVD激光头3a、3b、3c、3d、3e与第一、二、三、四、五从动楔形块5a、5b、5c、5d、5e一起产生垂直于各自相应轴的运动；推拉锁紧机构26由推拉元件25和锁紧元件17组成，推拉元件25依次调节第一、二、三、四、五可移动楔形块4a、4b、4c、4d、4e分别与第一、二、三、四、五从动楔形块5a、5b、5c、5d、5e之间的接触配合，锁紧元件17将精密调节机构27压紧在相应的第一、二、三、四、五滑轨14a、14b、14c、14d、14e上；第一、二、三、四、五滑轨14a、14b、14c、14d、14e固定在支架6上；所述柔性悬挂机构29由刚性连接体2、第一、二、三、四弹性膜片7a、7b、7c、7d、反射镜支架12、测针11组成，第一、二、三、四弹性膜片7a、7b、7c、7d分别均布于刚性连接体2的四周，X向的第一、二弹性膜片7a、7b互相平行或共线，Y向的第三、四弹性膜片7c、7d互相平行或共线，且X向的第一、二弹性膜片7a、7b与Y向的第三、四弹性膜片7c、7d互相垂直，第一、二、三、四弹性膜片7a、7b、7c、7d分别与刚性连接体2和支架6固接，反射镜支架12与测针11分别安装在刚性连接体2的上、下表面上。

所述第一、二、三、四、五DVD激光头3a、3b、3c、3d、3e与相应第一、二、三、四、五从动楔形块5a、5b、5c、5d、5e连接方式为螺纹连接或粘接。

所述第一、二、三、四、五反射镜1a、1b、1c、1d、1e与反射镜支架12之间采用螺纹连接或粘接。

所述第一、二、三、四、五可移动楔形块4a、4b、4c、4d、4e和相应第一、二、三、四、五从动楔形块5a、5b、5c、5d、5e的接触面15与相应第一、二、三、四、五反射镜1a、1b、1c、1d、1e的反射面夹角为0.001rad～0.05rad。

所述推拉锁紧机构26的推拉元件25为螺钉与顶丝组成或弹簧与螺钉组成或弹簧与顶丝组成。

所述推拉锁紧机构26的锁紧元件17为片簧或弹簧或弹性垫圈。

图1为本发明的基于象散离焦检测原理的深小孔传感器的内部结构三维视图，图2为本发明中支架结构示意图。下面结合图1、图2给出本发明的一个实施例。空间坐标系中，竖直方向为Z轴方向，X轴在水平面内垂直于第一反射镜1a的反射面，Y轴在水平面内垂直于第三反射镜1c的反射面。在本实施例中，第一、二、三、四横向滑轨(14a、14b、14c、14d)与支架6为一体结构，由线切割工艺加工完成，横向微动调节板13安装在支架6上方，纵向第五滑轨14e安装在横向微动调节板13上方。柔性悬挂机构29安装在支架6的下方突起部位。本发明在应用时，传感器通过支架6连接在三坐标测量机上。初始化时，通过调节精密调节机构27，使第一、二、三、四、五DVD激光头(3a、3b、3c、3d、3e)出射光聚焦在相对应的第一、二、三、四、五反射镜(1a、1b、1c、1d、1e)上；三坐标测量机带动传感器触碰被测零件，受测量力的作用，测针11的位移经柔性悬挂机构传递使第一、二、三、四、五反射镜(1a、1b、1c、1d、1e)在X、Y、Z向上产生位移，第一、二、三、四、五反射镜(1a、1b、1c、1d、1e)的位移由第一、二、三、四、五DVD激光头(3a、3b、3c、3d、3e)检测，根据位移传递比的大小得到测力为零时测针11的位置。

图3为本发明中横向上精密调节机构结构示意图，图4为本发明中精密调节机构的一个实施例结构示意图。下面结合图3、图4给出本发明中精密调节机构27的一个实施例。本实施例中，精密调节机构27由第一、二、三、四可移动楔形块(4a、4b、4c、4d)、第一、二、三、四从动楔形块(5a、5b、5c、5d)、推拉锁紧机构26组成，第一、二、三、四可移动楔形块(4a、4b、4c、4d)在相应第一、二、三、四滑轨(14a、14b、14c、14d)和第一、二、三、四从动楔形块(5a、5b、5c、5d)之间滑动，使第一、二、三、四从动楔形块(5a、5b、5c、5d)产生垂直于各个轴的运动，第一、二、三、四DVD激光头(3a、3b、3c、3d)安装在相应的第一、二、三、四从动楔形块(5a、5b、5c、5d)上，并与第一、二、三、四从动楔形块(5a、5b、5c、5d)一起产生垂直于相应轴的运动，推拉锁紧机构26由推拉元件25和锁紧元件17组成，推拉元件25的作用是调节可移动楔形块(4a、4b、4c、4d、4e)的位置，锁紧元件17将精密调节机构27压紧在第一、二、三、四滑轨(14a、14b、14c、14d)上。本实施例中，第一、二、三、四滑轨(14a、14b、14c、14d)安装在支架6上，第一、二、三、四可移动楔形块(4a、4b、4c、4d)与相应第一、二、三、四从动楔形块(5a、5b、5c、5d)的接触面15与相应第一、二、三、四反射镜(1a、1b、1c、1d)的反射面不平行，夹角为0.01rad。第一、二、三、四可移动楔形块(14a、14b、14c、14d)的长度为60cm，第一、二、三、四从动楔形块(5a、5b、5c、5d)的长度为80cm，则第一、二、三、四可移动楔形块(14a、14b、14c、14d)的进动距离为20cm，垂直于轴向的调节范围为200um。

图5为本发明中悬挂机构中弹性膜片口字形布局的一个实施例结构示意图。本实施例中，柔性悬挂机构29由刚性连接体2、第一、二、三、四弹性膜片(7a、7b、7c、7d)、反射镜支架12、测针11组成，第一、二、三、四弹性膜片(7a、7b、7c、7d)的中间安装于刚性连接体2上，两端安装在支架6突起部，第一、二、三、四弹性膜片(7a、7b、7c、7d)呈口字型分布均布在刚性连接体2的四周。第一、二、三、四弹性膜片(7a、7b、7c、7d)采用铍铜合金材料制成，长度为70，厚度为0.6mm，刚性连接体2为十字形结构，材料为不锈钢。为了提高柔性悬挂机构29的固有频率，提高传感器的动态特性，本实施中反射镜支架12为中空薄壁结构以减轻其自身质量。测针11为长200mm、直径3mm的碳纤维测杆，测端为直径4mm的红宝石测球。gh

图6为本发明中悬挂机构中弹性膜片十字型布局的一个实施例结构示意图。本实施例中，柔性悬挂机构29由刚性连接体2、第一、二、三、四弹性膜片(7a、7b、7c、7d)、反射镜支架12、测针11组成，第一、二、三、四弹性膜片(7a、7b、7c、7d)的中间安装于刚性连接体2上，第一、二、三、四弹性膜片(7a、7b、7c、7d)呈十字型分布布置在刚性连接体2的四周。第一、二、三、四弹性膜片(7a、7b、7c、7d)采用65Mn弹簧钢材料制成，长度为25，厚度为0.7mm。反射镜支架12安装在刚性连接体2上端面，测针11安装在刚性连接体2下端面。反射镜支架12为中空薄壁结构，壁厚为0.3mm，采用温度系数小的殷钢材料制成。测针11为长150mm、直径2mm的碳化钨维测杆，测端为直径3mm的红宝石测球。

下面就测针11在X向测力下作用对柔性悬挂机构29进行分析。在测力F_X的作用下，测杆的挠度v₀为：

$v_0=\frac{F_X{l}^3}{3\mathrm{EI}}---\left(1\right)$

根据材料力学原理可知柔性悬挂机构29的X向刚度Z_X为一个与第一、二、三、四弹性膜片(7a、7b、7c、7d)的长、宽、厚相关的量，测端在X向的总位移v_X为：

$v_X=\frac{F_X{l}^3}{3\mathrm{EI}}+\frac{F_X}{Z_X}---\left(2\right)$

其中，l为测杆的长度，E为测杆材料的杨氏模量，I为测杆截面的惯性矩。

反射镜的位移v_r为：

$v_r=\frac{F_X}{Z_{X}l}\·l_r---\left(3\right)$

式中l_r为反射镜中心到第一、二、三、四弹性膜片(7a、7b、7c、7d)组成的平面的距离。因此测端的位移与X向反射镜(1a、1b)的位移的比值为：

$\frac{v_X}{v_r}=\frac{Z_X{l}^4+3\mathrm{lEI}}{3l_r\mathrm{EI}}---\left(4\right)$

测端受沿Y向测力作用下的受力情况与沿X轴向的受力分析完全一致，根据材料力学原理，柔性悬挂机构Y向刚度与X向刚度完全相等，存在：

Z_Y＝Z_X      (5)测端在Y向总的位移与Y向反射镜(1c、1d)的位移的比值为：

$\frac{v_Y}{v_r}=\frac{Z_Y{l}^4+3\mathrm{lEI}}{3l_r\mathrm{EI}}---\left(6\right)$

从式(4)、(5)可见，测端的位移与第一、二、三、四反射镜(1a、1b、1c、1d)的位移的比值为一个与悬挂机构的结构参数有关的量，当悬挂机构的结构参数确定后，这个比值就是一个与测力无关的定值，无需对测针的挠度进行非线性补偿。

测端受到沿Z向测力作用时，测端在Z向的位移与Z向反射镜1e的位移相等。同时，X向的第一、二反射镜(1a、1b)与Y向的第三、四反射镜(1c、1d)并没有位移。

由以上分析可见，测端在受到X、Y、Z向的测力时，X、Y方向没有耦合，相互独立，这就为传感器的解耦带来了极大的方便。

图7为本发明中差动象散离焦检测与悬挂机构原理示意图，图8为本发明中DVD四象限探测器接收离焦误差信号原理图，图9为本发明中DVD激光头内部结构原理示意图。下面结合图7、图8、图9给出本发明中差动象散离焦检测单元28的一个实施例。差动象散离焦检测单元28由第一、二、三、四、五DVD激光头(3a、3b、3c、3d、3e)、第一、二、三、四、五反射镜(1a、1b、1c、1d、1e)组成。第一、二、三、四、五反射镜(1a、1b、1c、1d、1e)安装在反射镜支架12上，其中X向的第一、二反射镜(1a、1b)与Y向的第三、四反射镜(1c、1d)正交差动布局，Z向的第五反射镜1e直接安装在反射镜支架12顶端。第一、二、三、四、五DVD激光头(3a、3b、3c、3d、3e)的出射光垂直于相应第一、二、三、四、五反射镜(1a、1b、1c、1d、1e)的反射面。本实施例中第一、二、三、四、五DVD激光头(3a、3b、3c、3d、3e)为索尼公司产品，型号为KHM-313，其内部集成有半导体激光器18、象散离焦检测镜组19和四象限探测器20。当DVD激光头的物镜出射光正好聚焦在反射镜上，成像在四象限探测器上为一个正圆，此时四象限探测器输出离焦误差信号FES为0；当DVD激光头的物镜出射光聚焦在反射镜的前方时，成像在四象限探测器上为一个长椭圆，此时四象限探测器输出离焦误差信号FES为正值；当DVD激光头的物镜出射光聚焦在反射镜的后方时，成像在四象限探测器上为一个扁椭圆，此时四象限探测器输出离焦误差信号FES为负值。本实施例中，选取FES曲线零点附近±3um的一段单调区域用于检测第一、二、三、四、五反射镜(1a、1b、1c、1d、1e)的位移。

Claims (6)

1.一种基于差动象散离焦检测的超精密三维瞄准与测量传感器，由上安装侧板(30)、横向微动调节板(13)、支架(6)、下挡板(8)、下框(9)、下安装板(10)、柔性悬挂机构(29)、传感机构(31)组成，其中在支架(6)的上端部上从下而上依次配装横向微动调节板(13)和上安装侧板(30)，在支架(6)的下端部上从上而下依次安装下挡板(8)、下框(9)和下安装板(10)，传感机构(31)配装在支架(6)内侧，柔性悬挂机构(29)安装在传感机构(31)下端部上，其特征在于：所述传感机构(31)由差动象散离焦检测单元(28)和精密调节机构(27)组成，差动象散离焦检测单元(28)包括第一、二、三、四、五DVD激光头(3a、3b、3c、3d、3e)和第一、二、三、四、五反射镜(1a、1b、1c、1d、1e)，在空间坐标系XYZ内，X向的第一、二DVD激光头(3a、3b)对X向的第一、二反射镜(1a、1b)位移进行差动检测，Y向的第三、四DVD激光头(3c、3d)对Y向的第三、四反射镜(1c、1d)位移进行差动检测，Z向的第五DVD激光头(3e)对Z向的第五反射镜(1e)位移进行检测，第一、二、三、四、五DVD激光头(3a、3b、3c、3d、3e)的出射光垂直于依次相对应的第一、二、三、四、五反射镜(1a、1b、1c、1d、1e)的反射面，第一、二、三、四、五反射镜(1a、1b、1c、1d、1e)安装在反射镜支架(12)上，其中X向的第一、二反射镜(1a、1b)与Y向的第三、四反射镜(1c、1d)安装在反射镜支架(12)侧面，Z向的第五反射镜(1e)安装在反射镜支架(12)顶端，X向的第一、二反射镜(1a、1b)、Y向的第三、四反射镜(1c、1d)、Z向的第五反射镜(1e)反射镜的反射面两两垂直；精密调节机构(27)由第一、二、三、四、五可移动楔形块(4a、4b、4c、4d、4e)、第一、二、三、四、五从动楔形块(5a、5b、5c、5d、5e)、第一、二、三、四、五滑轨(14a、14b、14c、14d、14e)、推拉锁紧机构(26)组成，第一、二、三、四、五可移动楔形块(4a、4b、4c、4d、4e)和依次相应第一、二、三、四、五从动楔形块(5a、5b、5c、5d、5e)的接触面(15)与相对应第一、二、三、四、五反射镜(1a、1b、1c、1d、1e)的反射面不平行，第一、二、三、四DVD激光头(3a、3b、3c、3d)依次分别安装在相应的第一、二、三、四从动楔形块(5a、5b、5c、5d、5e)上，第五DVD激光头(3e)通过轴上DVD衔接件(16)安装在第五从动楔形块(5e)上，第一、二、三、四、五可移动楔形块(4a、4b、4c、4d、4e)在相应的第一、二、三、四、五滑轨(14a、14b、14c、14d、14e)和第一、二、三、四、五从动楔形块(5a、5b、5c、5d、5e)之间滑动，使第一、二、三、四、五DVD激光头(3a、3b、3c、3d、3e)与第一、二、三、四、五从动楔形块(5a、5b、5c、5d、5e)一起产生垂直于各自相应轴的运动；推拉锁紧机构(26)由推拉元件(25)和锁紧元件(17)组成，推拉元件(25)依次调节第一、二、三、四、五可移动楔形块(4a、4b、4c、4d、4e)分别与第一、二、三、四、五从动楔形块(5a、5b、5c、5d、5e)之间的接触配合，锁紧元件(17)将精密调节机构(27)压紧在相应的第一、二、三、四、五滑轨(14a、14b、14c、14d、14e)上；第一、二、三、四、五滑轨(14a、14b、14c、14d、14e)固定在支架(6)上；所述柔性悬挂机构(29)由刚性连接体(2)、第一、二、三、四弹性膜片(7a、7b、7c、7d)、反射镜支架(12)、测针(11)组成，第一、二、三、四弹性膜片(7a、7b、7c、7d)分别均布于刚性连接体(2)的四周，X向的第一、二弹性膜片(7a、7b)互相平行或共线，Y向的第三、四弹性膜片(7c、7d)互相平行或共线，且X向的第一、二弹性膜片(7a、7b)与Y向的第三、四弹性膜片(7c、7d)互相垂直，第一、二、三、四弹性膜片(7a、7b、7c、7d)分别与刚性连接体(2)和支架(6)固接，反射镜支架(12)与测针(11)分别安装在刚性连接体(2)的上、下表面上。

2.根据权利要求1所述的基于差动象散离焦检测的超精密三维瞄准与测量传感器，其特征在于：所述第一、二、三、四、五DVD激光头(3a、3b、3c、3d、3e)与相应第一、二、三、四、五从动楔形块(5a、5b、5c、5d、5e)连接方式为螺纹连接或粘接。

3.根据权利要求1所述的基于差动象散离焦检测的超精密三维瞄准与测量传感器，其特征在于：所述第一、二、三、四、五反射镜(1a、1b、1c、1d、1e)与反射镜支架(12)之间采用螺纹连接或粘接。

4.根据权利要求1所述的基于差动象散离焦检测的超精密三维瞄准与测量传感器，其特征在于：所述第一、二、三、四、五可移动楔形块(4a、4b、4c、4d、4e)和相应第一、二、三、四、五从动楔形块(5a、5b、5c、5d、5e)的接触面(15)与相应第一、二、三、四、五反射镜(1a、1b、1c、1d、1e)的反射面夹角为0.001rad～0.05rad。

5.根据权利要求1所述的基于差动象散离焦检测的超精密三维瞄准与测量传感器，其特征在于：所述推拉锁紧机构(26)的推拉元件(25)为螺钉与顶丝组成或弹簧与螺钉组成或弹簧与顶丝组成。

6.根据权利要求1所述的基于差动象散离焦检测的超精密三维瞄准与测量传感器，其特征在于：所述推拉锁紧机构(26)的锁紧元件(17)为片簧或弹簧或弹性垫圈。

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