基于光聚焦探测法的表面粗糙度非接触测量系统

　　一、引　言

　　随着现代光电技术、计算机技术的发展,出现了许多基于不同光学原理的光学轮廓仪以满足对表面轮廓快速、非接触测量的需要。本文所介绍的基于光聚焦探测法的表面粗糙度非接触测量系统即为其中的一种。

　　二、测量系统的原理

　　系统由以下几部分组成:光电接收器、反馈控制电路、音圈电机、电感测量系统、计算机等。测量原理如图1所示。半导体激光器发出的光束经分光镜、透镜L1,会聚在被测工件表面上,反射光按原路返回到分光镜,并通过透镜L2,被棱镜分成二束,投射在两组光电接收器上。当光焦点位于工作表面上时,两光斑位于两组光电接收器D1、D2的中部,如图中位置B,此时两组光电接收器的电流差为零。当工件移动时,由于工件不平,产生近焦或离焦,如图中位置A、C所示,两组光电接收器的电流差不为零。经驱动电路,反馈回音圈电机,推动音圈电机的动子部分上下运动。我们将透镜L1嵌入音圈电机的动子中,这样,音圈电机的动子的运动将带动透镜L1,使被测工件表面始终位于透镜L1的焦平面上,音圈电机的位移量通过位置探测系统即电感测量系统检出,经A/D转换,输入计算机,得出粗糙度的各项参数值。

　　三、关键技术

　　1.反馈控制

　　我们采用的是两个两象限的光电二极管。由系统原理可知,如果从激光器发出的一束光线恰好会聚到被测物体的表面,则两个光电二极管接收到同样的光强;如果会聚点高于物体表面,则两个光电二极管的外侧部分接收的光比内侧少;反之,如果会聚点比物体表面低,则外侧比内侧接收得多。这种差异被检测出来并称之为聚焦误差信号(FES)

　　这里,D′i、D″i分别代表从光电二极管Di的外侧和内侧部分来的信号(i=1, 2)。

　　聚焦误差信号通过反馈回路控制音圈电机的动子部分运动,同时带动嵌入电机动子中的物镜运动,使得物镜将光线会聚到物体的表面,即镜头被移动到聚焦误差信号为零的位置,被测物体的轮廓通过测量电机动子位置的变化体现出来。

　　实现水平和垂直方向的扫描可通过移动样块或光线完成。前者可得到较大扫描面积,后者可获得较高的扫描频率。本系统水平方向采用移动样块(即工作台),垂直方向采用移动光线(即透镜L1)进行扫描。由于采用反馈控制,垂直测量范围不受入射光半波长的限制,所以具有较大的测量范围,测量速度快。反馈控制电路原理图如图2所示。从光电池接收来的光信号经光电转换变成电信号,经前置放大电路放大后,再经放大和调零处理,输入功放,推动音圈电机的动子运动。