CN109443210A - 光学位置检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光学位置检测装置，该装置包括：检测光源以及沿检测光源的成像光路依次设置的光阑、投影镜组、成像放大镜组和探测器，其中，检测光源为点光源或线光源；投影镜组，将来自光阑的光束以一定倾角入射在工件的待测表面；成像放大镜组，可将待测表面的反射光束进行2级放大成像后入射至探测器。本申请还公开了一种光学位置检测方法。本发明的检测装置和方法，采用独立的成像光路，边缘轮廓更清晰，检测精度更高，同时可采用不同角度的斜入射方式，可以避开其它光路占据的空间位置，而且装置简单可靠，成本低廉，可以将工件表面的位置变化放大30～160倍，可以实现亚微米级的位置检测。

Description

光学位置检测装置和方法

技术领域

本申请涉及光学加工技术领域，特别是涉及一种光学位置检测装置和方法。

背景技术

光学位置检测方法具有非接触、高精度和响应快速等优点，广泛应用于定位控制和产品形貌检测等领域。

现有的光学位置检测方法有多种：共焦法(也称为共轭焦法，多见于激光共焦显微镜)、三角法(在当前商用的激光位移传感器中被广泛采用)、干涉法(例如双频激光干涉仪)、像散法(光驱的伺服聚焦即采用改法，也用于精密光学加工，例如专利201010170978.4)等等。

在特殊的情况下，以上方法难以满足需求。例如：已经有其它光路占据了工件待测位置的正上方，此时光路位置已被侵占，技术方案无法实施。

为了解决光路位置已被侵占的问题，中国专利第201811053107.7号公开了一种光学位置检测装置和方法，其光源采用的是平行光束，提供的棱镜几何放大作用，必须以60度以上掠入射为基础，否则放大倍率大幅降低。而且掠入射有2个明显的缺点：

1、照射面积大，容易受到灰尘和检测表面起伏的影响；

2、工件表面位置上下变化时，检测光线照射的区域随之左右偏移，可能偏离预定的检测位置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学位置检测装置和方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开一种光学位置检测装置，包括检测光源以及沿检测光源的成像光路依次设置的光阑、投影镜组、成像放大镜组和探测器，其中，

检测光源为点光源或线光源；

投影镜组，将来自光阑的光束以一定倾角入射在工件的待测表面；

成像放大镜组，可将待测表面的反射光束进行放大成像后入射至探测器。

优选的，在上述的光学位置检测装置中，定义一加工空间，该加工空间位于工件待测表面垂直上方，

所述检测光源、光阑、投影镜组、成像放大镜组和探测器均位于所述加工空间外。

优选的，在上述的光学位置检测装置中，所述检测光源、光阑、投影镜组位于所述加工空间的一侧，

成像放大镜组和探测器位于所述加工空间的另外一侧。

优选的，在上述的光学位置检测装置中，所述成像放大镜组包括沿成像光路依次设置的第1级放大镜组和第2级放大镜组，所述第2级放大镜组的放大倍率大于第1级放大镜组的放大倍率。

优选的，在上述的光学位置检测装置中，所述第1级放大镜组采用物方远心光路。

优选的，在上述的光学位置检测装置中，所述第1级放大镜组的放大倍率为3～4倍，优选为3倍。

优选的，在上述的光学位置检测装置中，所述第2级放大镜组的放大倍率为5～20倍，优选为6倍。

优选的，在上述的光学位置检测装置中，所述第1级放大镜组与待测工件之间设置有第二反射镜；所述投影镜组包括沿成像光路依次设置的透镜/透镜组和第一反射镜。

优选的，在上述的光学位置检测装置中，所述光阑为小孔光阑或狭缝光阑。

相应的，本申请还公开了一种光学位置检测方法，包括：

采用上述的光学检测装置；

成像光路在待测工件表面附近投射成实像，该实像以待测工件表面作为镜面形成虚像，该虚像通过成像放大镜组放大后投射至探测器表面；

探测器检测虚像的位移变化，并转换成待测工件表面的位移信号。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的检测装置和方法，采用点光源或者线光源，采用成像光路做检测，光线投射在探测器表面后，光斑的边缘轮廓更加清晰锐利，有利于获得更高的检测精度。

(2)本发明的检测装置和方法，投射光束可以是大角度掠入射，也可以是较小角度，放大倍率不受影响，因而适用场合更广。

(3)本发明的检测装置和方法，可以避开其它光路占据的空间位置，而且装置简单可靠，成本低廉，可以将工件表面的位置变化放大30～160倍，可以实现亚微米级的位置检测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中光学位置检测装置的结构示意图；

图2所示为本发明具体实施例中光路在待测工件表面成像的具体细节结构示意图；

图3所示为本发明具体实施例中成像光路s的反射像s₁和s₂的后续中心光线传输细节图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

结合图1所示，本申请的一实施例中，提供了一种光学位置检测装置，采用光学手段检测工件10表面的粗糙度或位置波动是否满足加工要求。

首先定义一加工空间20，该加工空间20位于工件待测表面垂直上方，更优选的，待加工工件10表面整个垂直上方的空间为加工空间20。该加工空间可以设置其他光路30，比如激光切割光路、半导体光刻光路等。

光学位置检测装置为独立于光路30的、专用于工件10表面位置检测的光路，由于其独立性，可以配套应用于不同的光学设备，不需要对原有光学设备进行改装，也不需要借用光学设备原有的光学元件。

为了避免光学位置检测装置对原有光学设备的干扰，光学位置检测装置设置于加工空间20的外部，其产生的入射光路自加工空间20的一侧倾斜入射，并自加工空间20的另一侧倾斜射出。

在一实施例中，光学位置检测装置包括检测光源401，检测光源401可以为点光源，也可以为线光源，用以产生用于工件表面检测的入射光403。

在优选的实施例中，检测光源401可以是激光二极管、LED或者氦氖激光器等，光源波长一般大于450nm，并且发光功率较弱。

光学位置检测装置包括沿成像光路设置的光阑402，具体为小孔光阑或者狭缝光阑，用于构建成像光路，光阑402置于检测光源401的垂直下方。

在一具体实施例中，光阑402为采用小圆孔形状的光阑，直径为200um；光阑的照明光(入射光)，采用小角度的交叉光线照明以提升边缘成像质量；照明光线发散角小于5度。

光学位置检测装置还包括沿成像光路设置的投影镜组，包括沿成像光路依次设置的透镜/透镜组404和第一反射镜405，用于将来自检测光源401的入射光束投影成像，投影镜组设置于光阑402的正下方。

在一具体实施例中，投影镜组中的透镜/透镜组404采用1倍光路，以最低成本地获得较高的成像质量。

来自检测光源401的入射光403优选沿竖直方向向下射出，通过小孔光阑或者狭缝光阑后照射在投影镜组的透镜/透镜组404上。

第一反射镜405设置于透镜/透镜组404的正下方，以一定倾角入射在工件10的待测表面指定区域附近(可以是上方，也可是下方)。

该技术方案中，检测光源401、光阑402、透镜/透镜组404和第一反射镜405设置于加工空间20的同一侧，检测光源401、光阑402、透镜/透镜组404和第一反射镜405依次按顺序上下设置，可以降低横向空间的占用。

光学位置检测装置还包括成像放大镜组，可将待测表面的反射光束进行2级成像放大后入射至探测器409。

成像放大镜组和探测器409位于加工空间20的同一侧，且与检测光源401处于相对的一侧。

在一具体实施例中，探测器409为CCD，单元尺寸约10um，单元数目为1600*1200，幅面为16mm*12mm。

成像放大镜组包括沿检测光路上依次设置的第二反射镜406、第1级放大镜组407和第2级放大镜组408，所述第2级放大镜组408的放大倍率大于第1级放大镜组的放大倍率407。所述第1级放大镜组采用物方远心光路。

第1级放大镜组可将待测表面的反射光束进行初步放大，具体放大倍率为3～4倍，优选为3倍。

第二反射镜406用以将来自工件10待测表面的反射光，沿竖直方向反射至第1级放大镜组407。

第2级放大镜组408可将通过第1级放大镜组初步放大的成像光路进一步放大。

进一步地，第2级放大镜组408可将进入的成像光路进行进一步放大5～20倍左右，优选为6倍。

该技术方案中，工件10四周的安装空间受限，同样为了避免横向空间的占用，探测器409、第2级放大镜组408、第1级放大镜组407和第二反射镜406按顺序上下依次设置。

通过第1级放大镜组和第2级放大镜组的2级放大，可以将工件表面的位置变化放大30～160倍，可以实现亚微米级的位置检测，精度高。

参照图2所示，小孔光阑或者狭缝光阑(光阑402)被检测光源401照明，入射光403经过投影镜组投射到工件10待测表面指定区域附近(可以是上方，也可是下方)成实像，记作s，待测表面近似为镜面，对s成虚像s₁，此时入射光403经过工件10的待测表面反射后形成了反射光线403a，需要注意的是，为了突出检测原理，图中仅画出了反射光线的中心光线，省却了其他光线，如图3所示；工件10的待测表面发生上下位置变化后，s₁移动至s₂，此时入射光403经过工件10的待测表面反射后形成了反射光线403b，同样，图中仅画出了反射光线的中心光线。

两束反射光线通过第二反射镜406反射后，经过第1级放大镜组407和第2级放大镜组408放大成像后，投射至探测器409表面，对应位置为s₁’和s₂’，待测工件表面的位移信号即可以转化成探测器检测虚像s₁’和s₂’的位移变化。

为了实现良好的成像效果，理想情况下，s₁至s₂连线应该与主光轴垂直，从而使得s₁至s₂均位于第1级放大镜组407的物面。而实际情况下上述垂直关系难以满足，投射光束的入射角度越大，与理想情况约接近。为了解决这一问题，第1级放大镜组407采用物方远心光路，使得s₁至s₂即使偏移物面，也不影响成像其后的横向位置，从而保证测量精度。

检测原理说明：工件表面的位置变化，最终转化为光阑小孔(或者狭缝)在探测器表面成像的像点中心位置变化，与像点的尺寸无关。

由于安装空间的限制，s₁和s₂距离第1级放大镜组407较远，因而优选的第1级放大镜组407采用中低放大倍率。从而获得较长的工作距离。相应地，第2级放大镜组408可采用高倍放大倍率，但其放大倍率受到探测器409尺寸的限制。

本申请的光学位置检测装置的几何放大倍率由三部分组成：

(1)、待测表面近似为镜面，像的移动距离为镜面移动距离的2倍。

(2)、第1级放大镜组407的放大倍率。

(3)、第2级放大镜组408的放大倍率。

在一具体实施例中：

光阑402采用小圆孔形状的光阑，直径为200um；

光阑的照明检测光源401所发出的入射光403，采用小角度的交叉光线照明，以提升边缘成像质量，且照明光线发散角小于5度。

投影镜组中的透镜/透镜组404采用1倍光路，以最低成本地获得较高的成像质量。

第1级放大镜组407的放大倍率为3倍，第2级放大镜组408的放大倍率为6倍。

探测器409为CCD，单元尺寸约10um，单元数目为1600*1200，幅面为16mm*12mm。

入射光经过上述圆孔光阑，照射进入透镜/透镜组404，通过透镜/透镜组404的投影成像，由第一反射镜405反射于工件10的待测表面并形成实像s，以待测表面近似于镜面，对s成虚像s₁，并形成反射光线403a。待测表面发生上下位置变化后，s₁移动至s₂，同时形成反射光线403b，上述两种反射光线经过第二反射镜406反射后垂直进入第1级放大镜组407，进行3倍放大，初步放大后的光线再次进入第2级放大镜组，进行进一步放大6倍，并成像后投射至探测器409表面，对应位置为s₁’和s₂’，工件表面的位置变化，最终转化为光阑402在探测器409表面成像的像点即s₁’和s₂’中心位置变化。

经过上述设置和检测，本光学位置检测的系统总体几何放大倍率值为2*3*6＝36倍。同时，光阑圆孔投射在探测器409表面的尺寸为0.2*36＝7.2mm。本系统高度检测范围是(16mm-7.2mm)/36≈0.25mm，同时系统检测分辨率为10um/36＝0.28um。

综上所述，本发明的检测装置和方法，采用独立的成像光路，边缘轮廓更清晰，检测精度更高，同时可采用不同角度的斜入射方式，可以避开其它光路占据的空间位置，而且装置简单可靠，成本低廉。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光学位置检测装置，其特征在于，包括检测光源以及沿检测光源的成像光路依次设置的光阑、投影镜组、成像放大镜组和探测器，其中，

检测光源为点光源或线光源；

投影镜组，将来自光阑的光束以一定倾角入射在工件的待测表面；

成像放大镜组，可将待测表面的反射光束进行放大成像后入射至探测器。

2.根据权利要求1所述的光学位置检测装置，其特征在于，定义一加工空间，该加工空间位于工件待测表面垂直上方，

所述检测光源、光阑、投影镜组、成像放大镜组和探测器均位于所述加工空间外。

3.根据权利要求2所述的光学位置检测装置，其特征在于，所述检测光源、光阑、投影镜组位于所述加工空间的一侧，

成像放大镜组和探测器位于所述加工空间的另外一侧。

4.根据权利要求1所述的光学位置检测装置，其特征在于，所述成像放大镜组包括沿成像光路依次设置的第1级放大镜组和第2级放大镜组，所述第2级放大镜组的放大倍率大于第1级放大镜组的放大倍率。

5.根据权利要求4所述的光学位置检测装置，其特征在于，所述第1级放大镜组采用物方远心光路。

6.根据权利要求4所述的光学位置检测装置，其特征在于，所述第1级放大镜组的放大倍率为3～4倍，优选为3倍。

7.根据权利要求4所述的光学位置检测装置，其特征在于，所述第2级放大镜组的放大倍率为5～20倍，优选为6倍。

8.根据权利要求4所述的光学位置检测装置，其特征在于，所述第1级放大镜组与待测工件之间设置有第二反射镜；所述投影镜组包括沿成像光路依次设置的透镜/透镜组和第一反射镜。

9.根据权利要求1所述的光学位置检测装置，其特征在于，所述光阑为小孔光阑或狭缝光阑。

10.一种光学位置检测方法，其特征在于，包括：

采用权利要求1至9任一所述的光学检测装置；

成像光路在待测工件表面附近投射成实像，该实像以待测工件表面作为镜面形成虚像，该虚像通过成像放大镜组放大后投射至探测器表面；

探测器检测虚像的位移变化，并转换成待测工件表面的位移信号。