CN110108227A - 一种大量程聚焦式激光点位移测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大量程聚焦式激光点位移测量系统，包括半导体激光二极管、衍射光栅、分光棱镜、1/4波片、准直透镜、物镜、柱面镜、四象限探测器、信号调理电路，采集电路和工控机，四象限探测器检测到的聚焦误差信号依次经过信号调理电路和采集电路后输入到工控机，工控机根据聚焦误差信号测量被测工件表面形貌。其特征在于，所述的物镜为显微物镜，所述的信号调理电路包括低通滤波器，用以滤去1/2倍采样频率以上的信号。

Description

一种大量程聚焦式激光点位移测量系统

技术领域

本发明属于表面形貌质量检测装置技术领域，涉及一种大量程聚焦式激光点位移测量系统

背景技术

随着微纳器件的逐步应用，微纳米测量技术也随之越来越受到广泛重视，出现了诸如激光干涉仪、电感测微仪、高精度电容式传感器、霍尔式微位移传感器等微位移感测方法和设备，但是现有设备存在价格昂贵、稳定性差和使用受限等问题。长期以来，各种测量原理的非接触式测量方法得到迅速的发展，可实现对表面形貌的无损测量。基于聚焦探测原理的激光测量是一种高精度的点测量方法，目前已在工业生产中得到了应用。为了使测量系统压缩光路具备小型化，便携性等的特点，我们可以借助商业DVD的激光读数头模块，通过更换商业DVD的激光读数头模块的物镜来扩展其测量范围。商业DVD的激光读数头模块由光电管、半反光棱镜、聚焦透镜等光学元件组成。由于商业DVD激光读数头模块线性测量范围较小。本发明对可以商业DVD的激光读数头模块的物镜进行更换，增大商业DVD激光读数头模块的测量范围，实现了更大范围的表面三维形貌测量。

发明内容

本发明的目的是对现有的DVD激光读数头进行改进，增大其线性测量范围，提供一种可以实现较大范围的表面形貌轮廓测量的大量程聚焦式激光点位移测量系统。本发明更换商用DVD激光读数头模块中的物镜，利用显微物镜来替代物镜，从而提高线性测量范围，实现较大范围的表面形貌轮廓测量。本发明的大量程聚焦式激光点位移测量系统具有体积小、成本低等特点，易于应用推广。技术方案如下：

一种大量程聚焦式激光点位移测量系统，包括半导体激光二极管、衍射光栅、分光棱镜、1/4波片、准直透镜、物镜、柱面镜、四象限探测器、信号调理电路，采集电路和工控机，四象限探测器检测到的聚焦误差信号依次经过信号调理电路和采集电路后输入到工控机，工控机根据聚焦误差信号测量被测工件表面形貌。其特征在于，所述的物镜为显微物镜，所述的信号调理电路包括低通滤波器，用以滤去1/2倍采样频率以上的信号。

优选地，显微物镜的放大倍数为4×至20×。

附图说明

图1：一种大量程聚焦式激光点位移测量系统光路示意图。

图2：一种大量程聚焦式激光点位移测量组装示意图。

图3：采用放大倍率4X显微物镜时的聚焦误差信号曲线。

图4：采用放大倍率10X显微物镜时的聚焦误差信号曲线。

图5：采用放大倍率20X显微物镜时的聚焦误差信号曲线。

具体实施方式

本发明的大量程聚焦式激光点位移测量系统光路如图1，包括半导体激光二极管1、衍射光栅2、分光棱镜3、1/4波片4、准直透镜5、显微物镜6、柱面镜8和四象限探测器9。半导体激光二极管1发射出单一波长、相位一致的激光，其波长在655nm左右，光输出功率5mW，再由分光棱镜3转折90°经过1/4波长片4、准直透镜5和显微物镜6投射到被测表面7，此为入射光传播路径。从测试表面反射回来的光由显微物镜6、准直透镜5、再经过1/4波片4、分光棱镜3和柱面镜投射到四象限探测器9上。在系统进行测量时，当入射光束焦点恰好落在被测工件表面上时，反射回来的激光经会聚后，其焦点正好落在四象限探测器中心位置，此时四象限探测器9中的四个象限接收到相同的光通量，此时，聚焦误差信号V(FES)＝0；当入射光束会聚点高于被测工件表面，即处于远焦状态时，V(FES)>0；反之，当入射光束焦点低于被测工件表面，即处于近焦状态时，V(FES)<0。在扫描过程中，V(FES反映了入射光束焦点偏离被测工件表面形貌的状况，即聚焦误差信号的正负反映了焦点偏移的方向，其大小反映了焦点偏移量的多少。本发明的大量程聚焦式激光点位移测量系统中取代商业DVD的激光读数头的物镜，新型装配的显微物镜具有更大的数值孔径(NA)，可有效增大进入四象限探测器9的光子的数量，提高聚焦式激光测量系统的测量范围。

本发明的大量程聚焦式激光点位移测量组装如图2，其主要包括去除物镜的商用DVD的激光读数头10，显微物镜6，信号调理电路11，AD采集电路12，工控机13。从商用DVD的激光读数头10输出聚焦误差信号(FES)需要通过信号调理电路11进行处理后，通过AD采集电路12进入工控机13内存中。

下面结合实施例进行说明。

本发明针对超精密加工的机械零件、光学元器件等进行高精度面形轮廓测量，具体实施流程如下：

(1)改进商用DVD的激光读数头，取下商用DVD激光读数头的自带物镜，选择合适放大比率的显微物镜安装其上。如图1所示，改进式DVD激光读数头主要由半导体激光器1、衍射光栅2、分光棱镜3、1/4波片4、准直镜5、显微物镜6、柱面镜8和四象限光电传感器9组成。

(2)测头工作时，由半导体激光二极管发射出单一波长、相位一致的激光，其波长在655nm左右，光输出功率5mW，其光束平行投射到光学元器件2，3，4后再通过准直透镜5和显微物镜6投射到被测表面7，此为入射光传播路径；反射光路将从测试表面反射回来的光由显微物镜5、光学元器件4，3，2汇聚到四象限探测器9上。

(3)激光读数头信号调理电路实现其信号采集和滤波功能，主要由半导体激光二极管稳定驱动模块、信号放大及滤波模块和信号计算模块组成。信号调理电路的功能是将传感器采集的电量信号经过调理后变成可以测量的数字信号，信号调理电路的性能直接关系到传感器的测量精度和稳定性等。作为微弱输出信号电路处理的第一步，前置放大器一定要具有低噪声、高共模抑制比，并提供给后期信号处理电路尽可能高的信噪比信号电路。为了防止采样过程中的混叠现象，需在AD转换之前使用低通滤波器，把1/2倍采样频率以上的信号衰减掉，这样，有效地避免了混叠现象的发生，从而保证了后续数字处理的正常进行。为了得到聚焦误差信号，将搭建后置运算电路对分散的四路信号进行运算整合，经过滤波处理的电路进行加法和减法运算。最后，聚焦误差信号通过A/D卡进入计算机。

测试不同倍率显微物镜的效果，得到了不同线性范围的聚焦误差信号(FES)曲线。图3、4、5依次分别为聚焦误差信号(FES)测试结果的S-曲线示意图对于不同放大倍率的显微物镜4×、10×和20×。从图中可得知，三种倍率的显微物镜所对应的线性范围分别为25μm、20μm、10μm，相比商用DVD激光读数头的线性范围6μm,所用的改进式激光读数头装置的线性测量范围有了较大提高。因此，本发明的一种大量程聚焦式激光点位移测量系统，可广泛地应用于超精密加工的微纳器件高精度表面三维形貌测量。

Claims (2)

1.一种大量程聚焦式激光点位移测量系统，包括半导体激光二极管、衍射光栅、分光棱镜、1/4波片、准直透镜、物镜、柱面镜、四象限探测器、信号调理电路，采集电路和工控机，四象限探测器检测到的聚焦误差信号依次经过信号调理电路和采集电路后输入到工控机，工控机根据聚焦误差信号测量被测工件表面形貌。其特征在于，所述的物镜为显微物镜，所述的信号调理电路包括低通滤波器，用以滤去1/2倍采样频率以上的信号。

2.根据权利要求1所述的位移测量系统，其特征在于，显微物镜的放大倍数为4×至20×。