CN1203291C - 基于测量相位或时间的调焦法位移测头及其测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于测量相位或时间的调焦法光学测头及其测量仪。属于位移测试技术及仪器领域。所述的位移测头包括由光源、音叉、物镜、被测表面，半透半反镜、视像器、光电元件、光阑构成。其特征在于在测量头中设置了由参考臂分光镜、参考臂光学透镜、参考臂小孔光阑、参考臂光电转换器构成的参考测量系统，或者是无该参考测量系统和无微型位移传感器的测量系统构成的测量头。上述的测量头构成的测量仪，主要由两路模拟信号处理电路、变换电路、现场可编程逻辑门阵列电路、微型计算机构成。本发明的优点在于该位移测头及其测量仪消除了传统离焦式测头测量范围小，动态扫描调焦法测头及测量系统结构复杂的问题，简化了结构设计，提高了测量精度。

Description

基于测量相位或时间的调焦法位移测头及其测量仪

                               技术领域

本发明涉及一种基于测量相位或时间的调焦法光学测头及其测量仪。属于位移测试技术及仪器领域。

                               背景技术

现有的具有较宽的测量范围和较高分辨力的位移测头当属动态扫描调焦法光学测头，该测头包括由：从光源、音叉、物镜、被测表面，半透半反镜、视像器、光电元件、光阑、微型位移传感器构成，其结构见附图1。

这种动态扫描调焦法光学测头的测量原理是在光路中引入了一组由音叉振动机构带动的透镜，在音叉振动过程中透镜的位置不断变化，从而使光路的焦点位置发生变化。当焦点落到被测表面时，由被测表面反射的光束正好汇聚在与其共焦的光栏上，这时位于光栏处的光电元件接收到最大光强。在测头中引入了一个测量振动透镜位置的微型位移传感器。根据光电元件接收到最大光强时刻，微型位移传感器测得的振动透镜位置，即可确定被测表面位置。这种动态扫描调焦法光学测头解决了测量分辨率与测量范围小的问题，但是它要求微型位移传感器体积小、精度高，这种测头价格十分昂贵，结构复杂，测试精度还尚有待进一步的提高。

                               发明内容

本发明的目的在于提供一种基于测量相位或时间的调焦法光学位移测头及其测量仪。该测头及其测量仪克服了传统上述的测头测量范围较小和结构复杂的问题。它具有更高的测量精度和测量范围，由测头所构成的测量仪器结构简单、价格低廉，使用方便，可以广泛地应用于具有高精度要求的尺寸、形状、位置测量。

为达到上述目的，本发明采用了下述技术方案加以实现的。一种基于测量相位和时间的调焦法光学位移测头，包括光源、音叉、物镜、被测表面，半透半反镜、光电元件、光阑构成，其特征在于，还包括参考臂分光镜、参考臂光学透镜、参考臂小孔光阑和参考臂光电转换器构成的参考测量系统；该系统的参考臂分光镜15接受光源的光束后，将光束照射到参考臂光学透镜18，在该透镜形成的焦点光束通过参考臂小孔光阑17照射到参考臂光电转换器16上，形成测头的参考信号，该信号与测量信号之差即为测头的测量值。

一种带有上述的光学位移测头的位移测量仪，其特征在于，还包括两路模拟信号处理电路、变换电路、现场可编程逻辑门阵列电路和微型计算机。

所述的模拟信号处理电路包括前置放大器、高通滤波器、增益放大器。

所述的变换电路包括峰值探测电路、光电隔离电路。

所述的现场可编程逻辑门阵列包括计数控制逻辑电路、高速计数器、计数存储电路、数据缓冲电路、地址译码电路、输入输出控制电路、中断控制电路。

一种基于测量相位和时间的调焦法光学位移测头，其特征在于，还包括激光二极管光源、分光镜、测量小孔光阑、测量光电转换器、视像器透镜、透镜、双透镜、音叉振动机构透镜。

一种带有上述的光学位移测头的位移测量仪，其特征在于，还包括两路模拟信号处理电路、变换电路、现场可编程逻辑门阵列电路、微型计算机。

所述的模拟信号处理电路包括前置放大器、高通滤波器、增益放大器电路。

所述的变换电路包括模拟数字变换器、光电隔离电路。

所述的现场可编程逻辑门阵列包括计数控制逻辑电路、高速计数器、计数存储电路、数据缓冲电路、互相关计算电路、数值比较逻辑电路、地址译码电路、输入输出控制电路、中断控制电路。

本发明的优点在于基于测量相位或时间的调焦法光学位移测头及其测量仪把测量空间域的位移量转换成测量时间域的时间差或相位差的测量，使所设计的测头不仅省去了微型位移传感器的使用，而且消除了传统离焦式测头测量范围小，动态扫描调焦法测头及测量系统结构复杂的问题，解决了测量范围和测量精度、测量结构复杂之间的矛盾，简化了结构设计，提高了系统的测量精度。

                               附图说明

图1为现有的动态扫描调焦法光学测头的结构示意图。

图2为带有参考测量系统的本发明测头结构示意图。

图3为无参考测量系统和无位移传感器的本发明测头结构示意图。

图4为基于测量相位的或时间的由本发明测量头构成的位移测量仪结构框图。

图5为基于无参考测量系统和无位移传感器的由本发明测量头构成的位移测量仪结构框图。

图中，1为激光二极管光源；2为分光镜1；3测量小孔光阑；4为测量光电转换器；5为视像器透镜；6为反射镜；7为分光镜2；8、9为透镜；10为双透镜音叉振动机构；11为微型位移传感器；12、13为透镜；14为被测物；15为分光镜3；16为参考光电转换器；17为参考小孔光阑；18为参考透镜；19为参考光路模拟信号处理电路；20测量光路模拟信号处理电路；21为变换电路；22为现场可编程逻辑门阵列；23为计算机和软件；24为正反馈激励电路板。

                             具体实施方式

从动态扫描调焦法光学测头的测量原理可知，振动透镜位移量Δ与最终物镜聚光点位量Δ′的几何关系经化简为：

${\mathrm{\Δ}}^{\′}=\frac{f_3^{\′2}\mathrm{\Δ}}{2{\mathrm{\Δ}}^2-({{f_3}^{\′}+f_2}^{\′}-b)\mathrm{\Δ}+{f_2}^{\′2}}+\mathrm{\Δ}$

由式可知，只要确定了透镜L₂、L₃的焦距f₂′、f₃′以及它们之间的距离b，就可以根据振动透镜的位移量Δ求出光学系统的最终聚光点的位移量Δ′。

基于测量相位或时间的调焦法光学位移测头将参考光路和测量光路的信号光强峰值时刻差，或其相位差通过硬件电路和微型计算机相结合完成了振动透镜位移量Δ对聚光点位移量Δ′的转换。用测量光路时间Δt的峰值时刻或其相位Δ反映位移量的大小为

$\mathrm{\Δt}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0}\arcsin \left(\frac{\mathrm{\Δ}}{A}\right)$

其中，Δ为测某一点时振动透镜位移量，A为振动透镜的振幅，ω₀为角频率。由测头所设置的参考光路系统获得振动透镜的峰值时刻。通过参考光路的峰值时刻和测量光路获得时间峰值时刻的时间差或其两者的相位差即可获得测头测量的位移量。

由基于测量时间的本发明测量头构成的位移测量仪其特征在于经模拟电信号处理电路得到参考光路和测量光路的信号峰值时刻脉冲，由现场可编程逻辑门阵列中的计数控制逻辑电路控制下分别开启、关闭高速计数器，获得两路峰值时刻脉冲的时间间隔，送入计算机进行软件数据处理、并显示所测量的位移量。

由基于测量相位的本发明测量头构成的位移测量仪其特征在于经模拟电信号处理电路、数字模拟变换器得到参考光路和测量光路的信号峰值相位，由现场可编程逻辑门阵列中的计算比较逻辑电路控制下分别获得两路信号的互相关数值，通过计算机进行软件数据处理、求取互相关的极大值，即为测量位移量并显示输出。

由不加设参考测量系统和无微型位移传感器的本发明测头构成的位移测量仪其特征在于经模拟电信号处理电路、数字模拟变换器得到测量周期内测量光路的信号，由现场可编程逻辑门阵列控制下分别获得测量信号的峰值时间差或相位差数值，通过计算机进行软件数据处理、获取所测量的位移量并显示输出。

本发明的优点在于基于测量相位或时间的调焦法光学位移测头及其测量仪大大地简化了测量系统的结构，提高了测量精度，扩大了测量范围。

以测量非常光洁的标准块规被测面为例说明本发明的使用情况：将光洁的标准量块放置在垂直微动步距可达0.2μm的微动工作台上，并可以随工作台作上下、前后微动。采用本发明基于测量相位或时间的调焦法光学位移测头固定在垂直于被测标准块规被测面的一个金属支架上。利用微动工作台使被测标准块规进行大范围内的移动，通过电缆连接的测量仪器输出测量位置的结果，由此获得传感器及测量系统的测量范围、测量分辨力，并利用最小二乘法求出补偿过的线性度误差，标准方差和测量数据的稳定性。

采用本发明不仅适用于测量机械件、光学件和电子器件等几何形貌，而且可以精确测量很多具有强反射表面的工件，为现代高技术领域中提供了一种对尺寸、形状、位置的高精度检测手段。本发明基于时间或相位法主动共焦式光学测头及其测量仪具有结构简单、价格低廉，使用方便，测量精度高、测量范围大、动态响应特性好，可以测量具有高精度要求的自由曲面和具有强反射表面的高精度金属件和光学件，特别是在工程表面微观轮廓测量，并且可以广泛地应用于半导体、微电子器件、信息存储、工程表面测量、医学检测、化学分析以及生命科学研究等领域中。

Claims (6)

1、一种基于测量相位或时间的调焦法光学位移测头，它通过获得测量信号的时间差或相位差，通过式 $\mathrm{\Δt}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0}\arcsin \left(\frac{\mathrm{\Δ}}{A}\right)$ 得到振动透镜的位移量Δ，其中A为振动透镜的振幅、ω₀为角频率，从而得到位移测量值，该测头包括光源、音叉、物镜、被测表面，半透半反镜、光电元件、光阑，其特征在于：还包括参考臂分光镜、参考臂光学透镜、参考臂小孔光阑和参考臂光电转换器构成的参考测量系统；该系统的参考臂分光镜(15)接受光源的光束后，将光束照射到参考臂光学透镜(18)，在该透镜形成的焦点光束通过参考臂小孔光阑(17)照射到参考臂光电转换器(16)上，形成测头的参考信号。

2、一种带有权利要求1所述位移测头的位移测量仪，它通过获得测量信号的时间差或相位差，通过式 $\mathrm{\Δt}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0}\arcsin \left(\frac{\mathrm{\Δ}}{A}\right)$ 得到振动透镜的位移量Δ，其特征在于：该测量仪还包括两路模拟信号处理电路、变换电路、现场可编程逻辑门阵列电路和微型计算机。

3、按权利要求2所述的位移测量仪，其特征在于：模拟信号处理电路包括前置放大器、高通滤波器、增益放大器；变换电路包括峰值探测电路和光电隔离电路；现场可编程逻辑门阵列包括计数控制逻辑电路、高速计数器、计数存储电路、数据缓冲电路、地址译码电路、输入输出控制电路和中断控制电路。

4、一种基于测量相位或时间的调焦法光学位移测头，它通过获得测量信号的时间差或相位差，通过式 $\mathrm{\Δt}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0}\arcsin \left(\frac{\mathrm{\Δ}}{A}\right)$ 得到振动透镜的位移量Δ，其特征在于：该测头包括激光二极管光源、分光镜1、测量小孔光阑、测量光电转换器、视像器透镜、透镜、双透镜、音叉振动机构透镜构成。

5、一种带有权利要求4所述位移测头的位移测量仪，它通过获得测量信号的时间差或相位差，通过式 $\mathrm{\Δt}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0}\arcsin \left(\frac{\mathrm{\Δ}}{A}\right)$ 得到振动透镜的位移量Δ，其特征在于：该测量仪还包括一路模拟信号处理电路、变换电路、现场可编程逻辑门阵列电路和微型计算机。

6、按权利要求5所述的位移测量仪，其特征在于：模拟信号处理电路包括前置放大器、高通滤波器、增益放大器电路；变换电路包括模拟数字变换器和光电隔离电路；现场可编程逻辑门阵列包括计数控制逻辑电路、高速计数器、计数存储电路、数据缓冲电路、互相关计算电路、数值比较逻辑电路、地址译码电路、输入输出控制电路和中断控制电路。

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