CN110202414B - 一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统 - Google Patents

Abstract

一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统，涉及高精度机械设备中的刀具较准部件的设备领域。包括倏逝波生成模块、信号探测模块以及计算机，信号探测模块包括依次设置的物镜、凸透镜、带通滤波器以及信号探测器；刀具一开始可以轻轻触碰到倏逝波界面，然后按给定步长，例如：100nm，沿倏逝波界面的法线方向逐渐远离倏逝波界面，因为倏逝波沿界面法线方向呈指数式衰减，所以，刀具在脱离与界面接触后，与倏逝波作用产生的光强也会随着与界面距离的增加呈指数式衰减，因此，将刀具移动的距离和与倏逝波作用产生的光强进行拟合，可以得到刀具正好脱离与界面接触的位置，从而实现纳米级的精度校准。

Description

一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统

技术领域

本发明涉及高精度机械设备中的刀具较准部件的设备领域，具体为一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统。

背景技术

机械设备中的对刀系统作为设备加工刀具的校准部件，对提高一次性工件加工合格率，增加设备有效工作时间，降低工件的废品率和返工率，起到了非常重要的作用，对刀系统按接触类型可分为：接触式和非接触式两种。对于接触式的对刀系统，刀具与对刀系统相应部件的接触会不可避免地在各自接触部位处产生高一定的弹性形变，从而造成测量误差，使得接触式的对刀系统很难对设备的加工刀具做到高精度的校准，另外，刀具与对刀系统的直接接触也容易划伤刀具本身或者对刀系统。

因此，相比较而言，非接触式的对刀系统具有更高的吸引力，尤其在对刀校准有非常高要求的精密和超精密机械设备中。然而，现有的非接触式对刀系统由于无法形成精确的宽域接触界面，所以也很难做到对刀具高精度的校准。例如，在利用纤细的准直光束对刀具进行非接触式校准时，为符合准直条件，激光光束的直径会在毫米范围之内，因此无法满足高精度机械设备中微米级的刀具较准要求。同样吹气式的非接触式对刀系统也存在类似的问题，无法形成精确的接触界面，而高倍率的显微镜因视场范围的限制，很难用来较准接触点无法确定的刀具。

基于光学表面倏逝波（evanescent wave），可以提供一种非接触式高精度对刀系统，并有效解决上述问题。

光波从高折射率介质向低折射率介质传播时，依据折射定律（Snell′ s law），穿过界面后的折射角会大于射向界面的入射角。当入射角的正弦值大于低折射率与高折射率的比值时，入射光波在界面处发生全反射，即没有光线能够通过界面折射到低折射率介质中去。同时，依据电磁学原理，光波的电场和磁场在界面处应保持连续。所以，在全反射的情况下，虽然光线无法从高折射率介质传播到低折射率介质中，但光线在界面上的电磁场可以以指数衰减的方式延伸到低折射率的介质中，在界面的低折射率介质侧形成光学表面倏逝波。因为表面倏逝波的电磁场场强沿界面的法线方向是指数衰减的，所以只会在离界面数个波长范围内有显著的场强。例如，假设入射光为波长为500nm的可见光，高折射率介质为玻璃，低折射率介质为空气，全反射的光波可在玻璃/空气界面的空气侧形成单个微米左右的电磁场层。当设备的刀具进入倏逝波的电磁场层后，结合一定的测量手段，则可探知刀具与倏逝波电磁场之间的相互作用，因此可在非接触的条件下做到对刀具高精度的校准。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统，能够实现对机械设备的刀具进行高精度的较准。

实现上述目的的技术方案是：一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统，用于对机械设备中的加工刀具进行高精度地校准，其特征在于：包括倏逝波生成模块、信号探测模块以及计算机，倏逝波生成模块用于产生光学倏逝波；刀具垂直朝向倏逝波生成模块产生的光学倏逝波、并在进入倏逝波的电磁场层后，与光学倏逝波的电磁场相互作用激发出发射光波；信号探测模块用于接收探测刀具与光学倏逝波相互作用产生的发射光波、并将探测到的发射光波的光强信息传送至计算机；计算机用于根据探测到的发射光波的光强信息，来判断刀具是否已进入到光学倏逝波的电磁场层中，实现刀具与倏逝波界面之间的校准。

进一步地，信号探测模块包括依次设置的物镜、凸透镜、带通滤波器以及信号探测器，所述刀具与光学倏逝波的电磁场相互作用激发出的发射光波被物镜收集后、依次经凸透镜、带通滤波器成像在信号探测器上，带通滤波器用于滤除除发射光波的信号波段以外其它波长的光波，信号探测器与计算机连接。

进一步地，信号探测器采用相机或光电二极管。

进一步地，所述信号探测模块的光轴与倏逝波生成模块产生的倏逝波界面的法线方向垂直。

进一步地，所述信号探测模块的光轴与倏逝波生成模块产生的倏逝波界面的法向方向平行，信号探测模块设在倏逝波生成模块的高折射率介质的下方、并且信号探测模块的物镜垂直朝向倏逝波生成模块的高折射率介质的下平面。

进一步地，所述刀具通过刀刃上的微纳结构与倏逝波的电磁场相互作用散射出发射光波。

进一步地，刀具表面喷涂可被入射波长激发的荧光分子或荧光量子点，在喷涂有荧光分子或荧光量子点的刀具进入倏逝波电磁场层后，刀具表面的荧光分子或荧光量子点会被倏逝波的电磁场激发，产生荧光作为发射光波。

进一步地，喷涂荧光分子或荧光量子点的方法是：将浓度nM的荧光分子或荧光量子点溶液喷洒在刀具表面，待溶液挥发后，即在刀具表面上覆盖了一些荧光分子或荧光量子点。

本发明的有益效果：

本发明对光源的波长和高折射率介质中没有特殊要求，只要满足光源的波长有可透射的介质即可。因此，在实际使用中，本发明可根据不同设备对刀具较准的具体要求，选择相对应的光源波长和高折射率介质。例如500nm的光源与玻璃可以实现1-2微米的校准要求；10um的光源与氟化钙晶体可以实现20微米左右的校准要求，另外，高折射率介质如果使用金刚石或钢玉等超硬材料，可使本发明不易被刀具划伤，因此可以更好地应对严苛的加工环境。

本发明虽然只有在刀具进入倏逝波电磁场后才会产生信号，但是可以将数个不同波长的倏逝波生成模块的平行光束，通过45°角单边滤镜或利用高折射率介质的多个不同侧面，在高折射率介质的界面上形成多个不同层次的倏逝波电磁场，然后再通过滤镜将信号拆分过滤后导入相应波长各自的信号探测模块，分析得到刀具相对于倏逝波界面的校准情况，长波长的倏逝波电磁场可以用来对刀具的粗校准，然后随着刀具更加逼近界面，进入短波长的电磁场后，完成对刀具的高精度校准。

本发明中如果使用金刚石或钢玉这类不易被刀具划伤的材料作为高折射率介质，刀具一开始可以轻轻触碰到倏逝波界面，然后按给定步长，例如：100nm，沿倏逝波界面的法线方向逐渐远离倏逝波界面，因为倏逝波沿界面法线方向呈指数式衰减，所以，刀具在脱离与界面接触后，与倏逝波作用产生的光强也会随着与界面距离的增加呈指数式衰减，因此，将刀具移动的距离和与倏逝波作用产生的光强进行拟合，可以得到刀具正好脱离与界面接触的位置，从而实现纳米级的精度校准。

附图说明

图1为第一实施例的结构示意图；

图2为第一实施例中的倏逝波生成模块的第一构型结构图；

图3为第一实施例中的倏逝波生成模块的第二构型结构图；

图4为第一实施例中的倏逝波生成模块的第三构型结构图；

图5为第一实施例中的采用单侧斜面长条形棱镜块的倏逝波生成模块的结构示意图；

图6为第一实施例中的信号探测模块的结构示意图；

图7为第二实施例的第一构型的结构示意图；

图8为第二实施例的第二构型的结构示意图；

图9为第二实施例的第三构型的结构示意图。

具体实施方式

第一实施例

如图1所示，本发明公开了一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统，用于对机械设备中的刀具4进行高精度地校准，包括倏逝波生成模块1、信号探测模块2以及计算机3，计算机3与信号探测模块2连接。

本实施例中的倏逝波生成模块是现有公知技术，主要有三种不同构型，分别为：

1）如图2所示，第一构型的倏逝波生成模块1包括第一光源1.1、第一偏振调节器1.2，第一凸透镜1.3、第一针孔1.4、第二凸透镜1.5以及三角形棱镜1.6，第一光源1.1发出的光线被偏振调节器1.2调整为P型偏振状态后，穿过第一凸透镜1.3、第一针孔1.4、第二凸透镜1.5形成平行光射向三角形棱镜1.6，当第一光源1.1为非偏振光时，第一偏振调节器1.2采用线偏振片；当第一光源1.1为偏振光时，第一偏振调节器1.2为半波片。第一凸透镜1.3、第一针孔1.4、第二凸透镜1.5的作用是调整第一光源1.1发出光波的形状和大小。经过第一偏振调节器1.2成为P型偏振的光波被第一凸透镜1.3聚焦在第一针孔1.4上，第一针孔1.4用于滤去光波中的杂散光、并透射出第一针孔1.4大小的光斑。光斑经第二凸透镜1.5后形成平行光。具体平行光束的大小可由第一凸透镜1.3和第二凸透镜1.5的焦距调节。经第二凸透镜1.5形成的平行光射入三角形棱镜1.6后，光线传播方向与三角形棱镜1.6上界面的法线方向形成的光线入射角应大于全反射角，从而可以在三角形棱镜1.6上界面的空气侧形成光学表面倏逝波。具体的入射角可由进入三角形棱镜1.6之前的平行光的入射角度决定。

三角形棱镜1.6根据入射光波长可选用石英、玻璃、金刚石、三氧化二铝晶体、氟化钙晶体等。

2）如图3所示，第二构型的倏逝波生成模块1的结构与第一构型基本相同，不同点在于：采用半球形棱镜1.7代替第一构型中的三角形棱镜1.6。使用半球形棱镜1.7的好处是当入射的平行光进入半球形棱镜之前，只要将入射光对准到半球形棱镜1.7的圆心，就可以避免在入射平行光从空气进入半球形棱镜1.7时产生射向其它方向的反射光。但同时，半球形棱镜1.7也伴随着一些聚焦效应，使入射光的平行度受些影响。

3）如图4所示，第三构型的倏逝波生成模块1包括第二光源1.8、第二偏振调节器1.9，第三凸透镜1.10、第二针孔1.11、第四凸透镜1.12、第五凸透镜1.13、第一物镜1.14以及高折射率介质片1.15，由第二光源1.8发出的光经第二偏振调节器1.9、第三凸透镜1.10、第二针孔1.11、第四凸透镜1.12后形成P型偏振平行光束。此处第二光源1.8、第二偏振调节器1.9、第三凸透镜1.10、第二针孔1.11、第四凸透镜1.12的作用与第一构型中的第一光源1.1、第一偏振调节器1.2、第一凸透镜1.3、第一针孔1.4、第二凸透镜1.5的作用相同。第四凸透镜1.12输出的平行光经过第五凸透镜1.13后被聚焦在第一物镜1.14的背聚焦平面上，经过第一物镜1.14形成窄束平行光，以一定的入射角度射向高折射率介质片1.15中，第一物镜1.14与高折射率介质片1.15之间应使用折射率相匹配的介质油，高折射率介质片1.15可使用的材料与三角形棱镜相同，但同时应匹配第一物镜1.14对介质片折射率的要求。光线在高折射率介质片内1.15的入射角由进入物镜之前入射光线偏离物镜轴线距离大小调节。当偏离的距离使得入射角大于全反射角后，则可在高折射率介质片1.15的上界面侧产生倏逝波。

使用第一物镜1.14生产倏逝波的优点是：整个对刀系统的结构可以很紧凑。缺点是：类似使用高倍率显微镜校准一样，射入高折射率介质片1.15的光波为窄束光波，所以只会在介质片1.15上界面的很小区域内生产倏逝波，这对不易确定接触点的刀具来说，使用第一物镜1.14的方式对刀具4进行校准会比较困难。此处相较于直接使用高倍率显微镜的优势是，以第一物镜1.15生产倏逝波的方式校准刀具的精度要明显高于直接使用高倍率显微镜。

如图5所示，此外第一构型的倏逝波生成模块可采用单侧斜面长条形棱镜块替换三角形棱镜，从斜侧面射入棱镜块的平行光可在棱镜块的上下界面之间实现多次全反射，从而可以大大地拓展倏逝波的生成区域。

作为本实施例的进一步说明，倏逝波生成模块1用于产生光学倏逝波；刀具4垂直朝向倏逝波生成模块1产生的光学倏逝波、并在进入倏逝波的电磁场层后，与光学倏逝波的电磁场相互作用激发出发射光波；刀具4与光学倏逝波的电磁场相互作用激发出发射光波，主要通过以下两种物理过程实现：

1）散射过程。刀具4的刀刃上本身具有的微纳结构与倏逝波的电磁场相互作用可以散射出光波，散射出的光波被信号探测模块收集后将光波的光强信息发送至计算机3，通过计算机3分析可得到刀刃是否已进入到倏逝波的电磁场中，即校准到了倏逝波界面上。通过散射过程实对刀具4与表面倏逝波的相互作用进行探测的优点是：此种探测方式无需对刀具4做任何处理，刀具4本身具有的微纳结构即可将倏逝波的电磁场转换成发射光波。但是，同时存在的缺点是：因为散射出的光波与入射光为同一波长，所以存在背景干扰。一种影响较大的背景光来自于高折射率介质表面存在的缺陷，这些表面缺陷的微纳结构同样会散射出一些光波被信号探测分析模块2接收到，给辨析刀具4与倏逝波相互作用产生的信号造成一定的干扰。高折射率介质表面的缺陷主要来自于表面加工过程遗留的划痕，以及飘落在表面上的灰尘粒子。所以，提高高折射率介质表面的加工光洁度和平整度，保持表面清洁，可以极大地改善这些背景光对信号造成的干扰。另外，如果某些特殊的刀具本身比较缺乏微纳结构，那么刀具4与倏逝波相互作用成的散射可能较弱，从而影响到探测到信号的信噪比，因此会对刀具4的校准造成一定的困难。

2）荧光发射过程。在使用荧光发射原理对刀具4与倏逝波的相互作用进行探测时，刀4具表面上首先应喷涂可被入射波长激发的荧光分子或荧光量子点。喷涂荧光分子或荧光量子点的方法是：将浓度nM（n表示10^-9，M表示mol/L）的荧光分子或荧光量子点溶液喷洒在刀具表面，待溶液挥发后，即在刀具表面上覆盖了一些荧光分子或荧光量子点。另外，在荧光分子和荧光量子点之间，荧光量子点发光稳定性和效率远优于荧光分子，所以荧光量子点应作为优先选择喷涂在刀具4上。在喷涂有荧光粒子的刀具4进入倏逝波电磁场层后，刀具表面的荧光粒子会被倏逝波的电磁场激发，产生荧光，然后被信号探测模块2收集将发射光波的光强信息发送至计算机3，通过计算机3分析可得到刀刃是否已进入到倏逝波的电磁场中，即校准到了倏逝波界面上。

通过荧光发射过程实现对刀具4与表面倏逝波的相互作用进行探测的优点是：1、因为荧光分子只存在于刀具4上，所以不存在背景光的干扰；2、由于荧光粒子产生的荧光信号并不依赖刀具4本身具体的结构，所以，相较于散射产生的信号更加稳定。通过荧光发射过程的缺点是：1、刀具较准之前需要在表面喷涂荧光粒子，工序上略显繁琐；2、为了满足常规的荧光激发的条件，倏逝波生成模块1的入射光的波长被限制在了可见和近红外范围之内。

如图6所示，本实施例所述的信号探测模块2包括依次设置的第二物镜2.1、第六凸透镜2.2、带通滤波器2.3以及信号探测器2.4，刀具4与光学倏逝波的电磁场相互作用激发出的发射光波被第二物镜2.1收集后、依次经第六凸透镜2.2、带通滤波器2.3成像在信号探测器2.4上，带通滤波器2.3用于滤除除发射光波的信号波段以外其它波长的光波，从而提高信号的信噪比。

作为本实施例的进一步说明，信号探测模块2的光轴与倏逝波生成模块1产生的倏逝波界面的法线方向垂直，并且当刀具4进入倏逝波生成模块1的倏逝波电磁场层后，刀具4在第二物镜2.1的视场和景深范围之内。

作为本实施例的进一步说明，在使用散射原理产生发射光波时，信号探测模块2采用入射波长透射，其它波长反射的带通滤波器；在使用荧光激发原理产生发射光波时，信号探测模块2采用荧光波长透射，其它波长反射的带通滤波器。

对于信号探测器2.4，如果信号波长在图像传感器的感光范围之内，信号探测器2.4应选用相机；如果信号波长在图像传感器的感应范围之外，信号探测器2.4可选用光电二极管。相机不仅提供了信号的强度信息，而且还提供了信号的空间分布信息，可以得到刀具4上某特定点的光强信息，所以，相机为本发明的首选信号探测器。最后，信号探测器2.4与计算机3相连，信号探测器2.4探测到的信号在计算机3得到分析、判断刀具是否校准到了倏逝波的界面处。

计算机3的分析过程如下：由信号探测器2.4探测到的信号可以与一个存储在计算机3中的阀值比较来判断刀具4是否进入倏逝波的电磁场。例如，当刀具在逼近倏逝波界面的过程中，探测到的信号比刀具4远离倏逝波界面探测到的背景信号高出10倍的背景信号标准差，可以认为刀具4已进入倏逝波的电磁场层，即刀具4已经校准到了倏逝波的界面。例如，如果入射光的波长为500nm，倏逝波电磁场的厚度会在单个微米左右，所以当刀具激发的信号满足10倍标准差的要求时，刀具4与倏逝波界面之间的距离只会在1-2微米左右，因为倏逝波界面为本对刀系统的参考标定平面，所以当刀具离界面的距离小于机械设备对刀具较准的精度要求时，也就完成了对刀具高精度地校准。

作为本实施例的进一步说明，在实际运用中，设备可根据自身的加工环境、刀具校准需求以及本发明提供的各种构型的优缺点选择以上构型中合适的方式。

第二实施例

如图7、8、9所示，第二实施例与第一实施例的区别在于：所述信号探测模块2的光轴与倏逝波生成模块1产生的倏逝波界面的法线方向平行，信号探测模块2设置在倏逝波生成模块1高折射率介质的下方、并且信号探测模块2的物镜垂直朝向倏逝波生成模块1的高折射率介质的下平面，同时在刀具4进入倏逝波生成模块1的倏逝波电磁场层后，刀具在物镜的视场和景深范围之内。

上述高折射率介质即为：倏逝波生成模块第一构型中的三角形棱镜、第二构型中的半球形棱镜、第三构型中的高折射率介质片。

这种方式的结构布局更加紧凑，刀具4在逼近倏逝波界面时，会有更加宽裕的移动空间。

进一步地，为了使信号探测模块在本实施例的布局构型中能够有效地收集到信号，因此要求高折射率介质的下界面应平行于生成倏逝波的上界面，常规的倏逝波生成模块需要稍作以下调整：

1、第一构型的倏逝波生成模块1中的三角形棱镜应被替换成单侧斜面棱镜块1.16，调整后的结构如图7所示；

2、第二构型的倏逝波生成模块1中半球形棱镜被替换成单侧球弧面棱镜块1.17，调整后的结构如图8所示；

3、第三构型中的倏逝波生成模块中，倏逝波生成模块1和信号收集模块2可共用同一物镜2.1，具体如图9所示。

需要说明的是，本文中所提到的物镜、带通滤波器、针孔均为公知技术，具体的物镜的英文名称为：objective lens，带通滤波器的英文名称为：objective lens，针孔的英文名称为：pinhole。

Claims (8)

1.一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统，用于对机械设备中的加工刀具进行高精度地校准，其特征在于：包括倏逝波生成模块、信号探测模块以及计算机，倏逝波生成模块用于产生光学倏逝波；刀具垂直朝向倏逝波生成模块产生的光学倏逝波、并在进入倏逝波的电磁场层后，与光学倏逝波的电磁场相互作用激发出发射光波；信号探测模块用于接收探测刀具与光学倏逝波相互作用产生的发射光波、并将探测到的发射光波的光强信息传送至计算机；计算机用于根据探测到的发射光波的光强信息，来判断刀具是否已进入到光学倏逝波的电磁场层中，实现刀具与倏逝波界面之间的校准。

2.根据权利要求1所述的一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统，其特征在于：信号探测模块包括依次设置的物镜、凸透镜、带通滤波器以及信号探测器，所述刀具与光学倏逝波的电磁场相互作用激发出的发射光波被物镜收集后、依次经凸透镜、带通滤波器成像在信号探测器上，带通滤波器用于滤除除发射光波的信号波段以外其它波长的光波，信号探测器与计算机连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统，其特征在于：信号探测器采用相机或光电二极管。

4.根据权利要求1所述的一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统，其特征在于：所述信号探测模块的光轴与倏逝波生成模块产生的倏逝波界面的法线方向垂直。

5.根据权利要求1所述的一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统，其特征在于：所述信号探测模块的光轴与倏逝波生成模块产生的倏逝波界面的法向方向平行，信号探测模块设在倏逝波生成模块的高折射率介质的下方、并且信号探测模块的物镜垂直朝向倏逝波生成模块的高折射率介质的下平面。

6.根据权利要求1所述的一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统，其特征在于：所述刀具通过刀刃上的微纳结构与倏逝波的电磁场相互作用散射出发射光波。

7.根据权利要求1所述的一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统，其特征在于：刀具表面喷涂可被入射波长激发的荧光分子或荧光量子点，在喷涂有荧光分子或荧光量子点的刀具进入倏逝波电磁场层后，刀具表面的荧光分子或荧光量子点会被倏逝波的电磁场激发，产生荧光作为发射光波。

8.根据权利要求7所述的一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统，其特征在于：喷涂荧光分子或荧光量子点的方法是：将浓度nM的荧光分子或荧光量子点溶液喷洒在刀具表面，待溶液挥发后，即在刀具表面上覆盖了一些荧光分子或荧光量子点。

Images