自聚焦伺服的激光测微技术

　　引　言

　　电子量仪是机械制造领域中广泛使用的基本工具。目前普通使用的测微仪中主要有电容测微仪、电感测微仪及激光测微仪。电容测微仪主要依靠将被测物理量转换为电容量的变化而达到测量目的,其动态特性较好,最高分辨率可达0.01μm,但易受电缆分布电容和周围环境以及温漂等因素影响造成测量误差;电感测微仪基于电磁感应原理,将被测量的变化转变为电感线圈自感(L)或互感(M)的变化而达到测量目的,最高分辨率也可达到0.01μm,但由于采用接触式测量,频率响应较低。

　　激光检测与常规检测方法相比具有显著优势。它不仅可以实现非接触测量,同时,测量精度也很高。如双频激光干涉仪测量精度可达0.01μm。但是,激光干涉测量仪价格昂贵,难以推广应用。

　　CD光学头的测量系统作为光盘的读数装置,要求能够在高速回转的光盘上准确获取各种信息。所以,必须能够实现精密检测、精密定位和高精度控制等多项综合技术。本研究旨在以CD光学头测量原理为基础,开发新颖的自聚焦伺服激光测微仪,实现自动跟踪测量,以期获得一种全新原理、高精度的光学测微仪。

　　1　系统工作原理

　　1.1　位移检测原理

　　位移检测系统采用如图1所示的柱形透镜及凸透镜光学系统。当激光通过柱形透镜后,光束截面将产生随距离变化而变化的形状,由纵向椭圆→正圆形→横向椭圆的变化过程。利用这种现象,当被测表面和物镜的距离发生变化时,激光束的形状即做上述变化。

　　当被测表面正好位于焦点位置时,射向四等分的每个光检测器(QPD)上的光量相等,经交叉的和差运算(A+C)-(B+D)后,得出的误差信号为零。当被测表面对物镜焦点位置来说是上移或下移时,则到达光检测器上的光束截面将呈纵向或横向椭圆的形状,因而产生纵向或横向圆形的光斑。这时各光电检测器的输出经交叉的和差运算(A+C)-(B+D)后,就产生随被测表面位置而变化的误差信号[1],如图1中的上方曲线。由于曲线中心部具有良好的线性度,因此可能获得良好的检测精度。

　　1.2　系统控制原理

　　根据上述原理,利用图2所示光学系统将激光发生光束经平行平板半透镜(PBS)反射后,物镜焦点与被测表面的位置关系可由四象限光电传感器(QPD)检测出来,由于离焦位置与输出电压之间具有线性关系,该电压直接可以进入伺服系统,控制焦点自动对焦,使离焦信号反馈控制焦点跟踪线圈以驱动物镜保持与被测表面距离恒定,完成自聚焦伺服过程。同时,将这种反馈控制电压进行电路处理,在保证控制系统正常动作前提下,直接输出与位移相关的电压信号。经计算机A/D采样后,运算处理显示位移值。