高精度激光伺服测微新方法的研究

    1　前言

    进入21世纪,科学技术、知识、信息将更趋于世界化;同时,由于竞争日益激烈,也就要求产品具有高性能、微型化和低成本的特点。为此,零件加工的精密化和 超精密化被紧迫地提到了各国的重大发展决策上。无论是制造技术本身,还是材料科学、微电子与计算机、光子技术、信息技术、纳米技术、生物基因工程及能源与 交通等科学的发展,都迫切需要加工技术的高精度和产品的高性能。尤其是航天航空技术领域中的零件加工技术要求更高,已经进入到纳米级加工精度,即要达到原 子级的加工精度极限。为了适应这种新时代发展的需要,各种新的加工原理与方法不断涌现,当然,检测技术与保证超精密加工实现的高精度测量技术就显得倍加重 要^[1,2]。

    因此,开发新型的检测传感器及测量技术,一直受到人们的极大关注,因为它是保证零件高精度及产品性能的关键。但近年来这方面的研究和开发未能获得令人满意 的效果。虽然激光干涉仪能够获得极高的测量精度,但它的价格昂贵,结构复杂,使之推广应用受到极大限制,电容测微仪、电感测微仪及电涡流测微仪等虽然已经 广泛地应用于生产中,但由于它们的诸多不利因素,如易受外界干扰、温漂及动态响应不高、精度稳定性差等问题,难以满足亚微米测量精度的要求。

    随着信息时代的高速发展,CD、VCD、DVD机等以半导体激光器制成的光学读数装置,已经广泛地应用于我们的日常生活中。这些装置具有在高速运转下,精 确读取信息的功能。并且,它具有微小光束光点的正确定位、光盘位置精密检测、测量间距的高精度控制并保持恒定等功能[3,4],如果能够按此原理开发一种 新型光学测微仪,将会具有极大的现实意义。

    2　测微工作原理

    CD光学头本用于检测光盘上的数码信号,这里,我们巧妙运用光学头搜索光盘的伺服聚焦过程的模拟电压变化信号。该模拟电压信号与位移变化信号间的对应关 系,可以从激光自聚焦伺服工作原理得到验证。为了满足精密测量的要求,测量中必须具有图1所示的基本功能。垂直方向自聚焦伺服系统是由聚光镜、驱动头、分 光镜、滤波片、圆柱棱镜、激光器及光电检测传感器和控制器等组成,被测表面垂直方向的位移变化,直接由四象限光电检测传感器QPD进行检测,随后经信号处 理直接驱动光头的压电线圈使光头上下伸缩,达到光头焦点始终聚焦在被测表面上,实现测量光头随被测工件的位移变化自聚焦伺服闭环控制。垂直方向的伺服聚焦 电压是直接对应于光学头的位置变化的。