專利名稱：基于測量相位或時(shí)間的調(diào)焦法位移測頭及其測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于測量相位或時(shí)間的調(diào)焦法光學(xué)測頭及其測量儀。屬于位移測試技術(shù)及儀器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的具有較寬的測量范圍和較高分辨力的位移測頭當(dāng)屬動(dòng)態(tài)掃描調(diào)焦法光學(xué)測頭，該測頭包括由從光源、音叉、物鏡、被測表面，半透半反鏡、視像器、光電元件、光闌、微型位移傳感器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)見附圖1。
這種動(dòng)態(tài)掃描調(diào)焦法光學(xué)測頭的測量原理是在光路中引入了一組由音叉振動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)的透鏡，在音叉振動(dòng)過程中透鏡的位置不斷變化，從而使光路的焦點(diǎn)位置發(fā)生變化。當(dāng)焦點(diǎn)落到被測表面時(shí)，由被測表面反射的光束正好匯聚在與其共焦的光欄上，這時(shí)位于光欄處的光電元件接收到最大光強(qiáng)。在測頭中引入了一個(gè)測量振動(dòng)透鏡位置的微型位移傳感器。根據(jù)光電元件接收到最大光強(qiáng)時(shí)刻，微型位移傳感器測得的振動(dòng)透鏡位置，即可確定被測表面位置。這種動(dòng)態(tài)掃描調(diào)焦法光學(xué)測頭解決了測量分辨率與測量范圍小的問題，但是它要求微型位移傳感器體積小、精度高，這種測頭價(jià)格十分昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測試精度還尚有待進(jìn)一步的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于測量相位或時(shí)間的調(diào)焦法光學(xué)位移測頭及其測量儀。該測頭及其測量儀克服了傳統(tǒng)上述的測頭測量范圍較小和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。它具有更高的測量精度和測量范圍，由測頭所構(gòu)成的測量儀器結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉，使用方便，可以廣泛地應(yīng)用于具有高精度要求的尺寸、形狀、位置測量。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了下述技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的。基于測量相位和時(shí)間的調(diào)焦法光學(xué)位移測頭包括由光源、音叉、物鏡、被測表面，半透半反鏡、視像器、光電元件、光闌構(gòu)成，其特征在于在測量頭中設(shè)置了由參考臂分光鏡、參考臂光學(xué)透鏡、參考臂小孔光闌、參考臂光電轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的參考測量系統(tǒng)，或者是無該參考測量系統(tǒng)和無微型位移傳感器的測量系統(tǒng)構(gòu)成的測量頭。
采用上述的基于測量時(shí)間的調(diào)焦法光學(xué)位移測頭所構(gòu)成的位移測量儀，其特征在于主要由兩路模擬信號(hào)處理電路、變換電路、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列電路、微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成。
所述的模擬信號(hào)處理電路包括前置放大器、高通濾波器、增益放大器。
所述的變換電路包括峰值探測電路、光電隔離電路。
所述的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列包括計(jì)數(shù)控制邏輯電路、高速計(jì)數(shù)器、計(jì)數(shù)存儲(chǔ)電路、數(shù)據(jù)緩沖電路、地址譯碼電路、輸入輸出控制電路、中斷控制電路。
采用上述的基于測量相位的調(diào)焦法光學(xué)位移測頭所構(gòu)成的位移測量儀其特征在于主要由兩路模擬信號(hào)處理電路、變換電路、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列電路、微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成。
所述的模擬信號(hào)處理電路包括前置放大器、高通濾波器、增益放大器電路。
所述的變換電路包括模擬數(shù)字變換器、光電隔離電路。
所述的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列包括計(jì)數(shù)控制邏輯電路、高速計(jì)數(shù)器、計(jì)數(shù)存儲(chǔ)電路、數(shù)據(jù)緩沖電路、互相關(guān)計(jì)算電路、數(shù)值比較邏輯電路、地址譯碼電路、輸入輸出控制電路、中斷控制電路。
采用上述的基于測量相位或時(shí)間的無參考測量系統(tǒng)和無微型位移傳感器的調(diào)焦法光學(xué)位移測頭所構(gòu)成的位移測量儀其特征在于主要由一路模擬信號(hào)處理電路、變換電路、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列電路、微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成。
所述的模擬信號(hào)處理電路包括前置放大器、高通濾波器、增益放大器電路。
所述的變換電路包括模擬數(shù)字變換器、光電隔離電路。
所述的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列包括計(jì)數(shù)控制邏輯電路、高速計(jì)數(shù)器、計(jì)數(shù)存儲(chǔ)電路、數(shù)據(jù)緩沖電路、互相關(guān)計(jì)算電路、數(shù)值比較邏輯電路、地址譯碼電路、輸入輸出控制電路、中斷控制電路。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于基于測量相位或時(shí)間的調(diào)焦法光學(xué)位移測頭及其測量儀把測量空間域的位移量轉(zhuǎn)換成測量時(shí)間域的時(shí)間差或相位差的測量，使所設(shè)計(jì)的測頭不僅省去了微型位移傳感器的使用，而且消除了傳統(tǒng)離焦式測頭測量范圍小，動(dòng)態(tài)掃描調(diào)焦法測頭及測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，解決了測量范圍和測量精度、測量結(jié)構(gòu)復(fù)雜之間的矛盾，簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的測量精度。


圖1為現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)掃描調(diào)焦法光學(xué)測頭的結(jié)構(gòu)示意2為帶有參考測量系統(tǒng)的本發(fā)明測頭結(jié)構(gòu)示意3為無參考測量系統(tǒng)和無位移傳感器的本發(fā)明測頭結(jié)構(gòu)示意4為基于測量相位的或時(shí)間的由本發(fā)明測量頭構(gòu)成的位移測量儀結(jié)構(gòu)框5為基于無參考測量系統(tǒng)和無位移傳感器的由本發(fā)明測量頭構(gòu)成的位移測量儀結(jié)構(gòu)框中，1為激光二極管光源；2為分光鏡1；3測量小孔光闌；4為測量光電轉(zhuǎn)換器；5為視像器透鏡；6為反射鏡；7為分光鏡2；8、9為透鏡；10為雙透鏡音叉振動(dòng)機(jī)構(gòu)；11為微型位移傳感器；12、13為透鏡；14為被測物；15為分光鏡3；16為參考光電轉(zhuǎn)換器；17為參考小孔光闌；18為參考透鏡；19為參考光路模擬信號(hào)處理電路20測量光路模擬信號(hào)處理電路；21為變換電路；22為現(xiàn)場可編程邏輯門陣列；23為計(jì)算機(jī)和軟件；24為正反饋激勵(lì)電路板。
具體實(shí)施例方式
從動(dòng)態(tài)掃描調(diào)焦法光學(xué)測頭的測量原理可知，振動(dòng)透鏡位移量 與最終物鏡聚光點(diǎn)位移量 的幾何關(guān)系經(jīng)化簡為 由式可知，只要確定了透鏡L2、L3的焦距f2′、f3′以及它們之間的距離b，就可以根據(jù)振動(dòng)透鏡的位移量△求出光學(xué)系統(tǒng)的最終聚光點(diǎn)的位移量 。
基于測量相位或時(shí)間的調(diào)焦法光學(xué)位移測頭將參考光路和測量光路的信號(hào)光強(qiáng)峰值時(shí)刻差，或其相位差通過硬件電路和微型計(jì)算機(jī)相結(jié)合完成了振動(dòng)透鏡位移量△對(duì)聚光點(diǎn)位移量 的轉(zhuǎn)換。用測量光路時(shí)間Δt的峰值時(shí)刻或其相位Δ反映位移量的大小為Δt=1ω0arcsin(ΔA)]]>其中，Δ為測某一點(diǎn)時(shí)振動(dòng)透鏡位移量，A為振動(dòng)透鏡的振幅，ω0為角頻率。由測頭所設(shè)置的參考光路系統(tǒng)獲得振動(dòng)透鏡的峰值時(shí)刻。通過參考光路的峰值時(shí)刻和測量光路獲得時(shí)間峰值時(shí)刻的時(shí)間差或其兩者的相位差即可獲得測頭測量的位移量。
由基于測量時(shí)間的本發(fā)明測量頭構(gòu)成的位移測量儀其特征在于經(jīng)模擬電信號(hào)處理電路得到參考光路和測量光路的信號(hào)峰值時(shí)刻脈沖，由現(xiàn)場可編程邏輯門陣列中的計(jì)數(shù)控制邏輯電路控制下分別開啟、關(guān)閉高速計(jì)數(shù)器，獲得兩路峰值時(shí)刻脈沖的時(shí)間間隔，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行軟件數(shù)據(jù)處理、并顯示所測量的位移量。
由基于測量相位的本發(fā)明測量頭構(gòu)成的位移測量儀其特征在于經(jīng)模擬電信號(hào)處理電路、數(shù)字模擬變換器得到參考光路和測量光路的信號(hào)峰值相位，由現(xiàn)場可編程邏輯門陣列中的計(jì)算比較邏輯電路控制下分別獲得兩路信號(hào)的互相關(guān)數(shù)值，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行軟件數(shù)據(jù)處理、求取互相關(guān)的極大值，即為測量位移量并顯示輸出。
由不加設(shè)參考測量系統(tǒng)和無微型位移傳感器的本發(fā)明測頭構(gòu)成的位移測量儀其特征在于經(jīng)模擬電信號(hào)處理電路、數(shù)字模擬變換器得到測量周期內(nèi)測量光路的信號(hào)，由現(xiàn)場可編程邏輯門陣列控制下分別獲得測量信號(hào)的峰值時(shí)間差或相位差數(shù)值，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行軟件數(shù)據(jù)處理、獲取所測量的位移量并顯示輸出。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于基于測量相位或時(shí)間的調(diào)焦法光學(xué)位移測頭及其測量儀大大地簡化了測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了測量精度，擴(kuò)大了測量范圍。
以測量非常光潔的標(biāo)準(zhǔn)塊規(guī)被測面為例說明本發(fā)明的使用情況將光潔的標(biāo)準(zhǔn)量塊放置在垂直微動(dòng)步距可達(dá)0.2μm的微動(dòng)工作臺(tái)上，并可以隨工作臺(tái)作上下、前后微動(dòng)。采用本發(fā)明基于測量相位或時(shí)間的調(diào)焦法光學(xué)位移測頭固定在垂直于被測標(biāo)準(zhǔn)塊規(guī)被測面的一個(gè)金屬支架上。利用微動(dòng)工作臺(tái)使被測標(biāo)準(zhǔn)塊規(guī)進(jìn)行大范圍內(nèi)的移動(dòng)，通過電纜連接的測量儀器輸出測量位置的結(jié)果，由此獲得傳感器及測量系統(tǒng)的測量范圍、測量分辨力，并利用最小二乘法求出補(bǔ)償過的線性度誤差，標(biāo)準(zhǔn)方差和測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。
采用本發(fā)明不僅適用于測量機(jī)械件、光學(xué)件和電子器件等幾何形貌，而且可以精確測量很多具有強(qiáng)反射表面的工件，為現(xiàn)代高技術(shù)領(lǐng)域中提供了一種對(duì)尺寸、形狀、位置的高精度檢測手段。本發(fā)明基于時(shí)間或相位法主動(dòng)共焦式光學(xué)測頭及其測量儀具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉，使用方便，測量精度高、測量范圍大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好，可以測量具有高精度要求的自由曲面和具有強(qiáng)反射表面的高精度金屬件和光學(xué)件，特別是在工程表面微觀輪廓測量，并且可以廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體、微電子器件、信息存儲(chǔ)、工程表面測量、醫(yī)學(xué)檢測、化學(xué)分析以及生命科學(xué)研究等領(lǐng)域中。
權(quán)利要求
1.一種基于測量相位或時(shí)間的調(diào)焦法光學(xué)位移測頭，該測量頭包括由光源、音叉、物鏡、被測表面，半透半反鏡、視像器、光電元件、光闌構(gòu)成，其特征在于在測量頭中設(shè)置了由參考臂分光鏡、參考臂光學(xué)透鏡、參考臂小孔光闌、參考臂光電轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的參考測量系統(tǒng)，或者是無該參考測量系統(tǒng)和無微型位移傳感器的測量系統(tǒng)構(gòu)成的測量頭。
2.一種按權(quán)利要求1所述的帶有參考測量系統(tǒng)的基于測量相位或時(shí)間的調(diào)焦法光學(xué)位移測頭所構(gòu)成的基于測量時(shí)間的位移測量儀，其特征在于該儀器主要由兩路模擬信號(hào)處理電路、變換電路、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列電路、微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成。
3.按權(quán)利要求2所述的位移測量儀，其特征在于模擬信號(hào)處理電路包括前置放大器、高通濾波器、增益放大器；變換電路包括峰值探測電路、光電隔離電路；現(xiàn)場可編程邏輯門陣列包括計(jì)數(shù)控制邏輯電路、高速計(jì)數(shù)器、計(jì)數(shù)存儲(chǔ)電路、數(shù)據(jù)緩沖電路、地址譯碼電路、輸入輸出控制電路、中斷控制電路。
4.一種按權(quán)利要求1所述的帶有參考測量系統(tǒng)的基于測量相位或時(shí)間的調(diào)焦法光學(xué)位移測頭所構(gòu)成的基于測量相位的位移測量儀，其特征在于該儀器主要由兩路模擬信號(hào)處理電路、變換電路、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列電路、微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成。
5.按權(quán)利要求4所述的位移測量儀，其特征在于模擬信號(hào)處理電路包括前置放大器、高通濾波器、增益放大器電路；變換電路包括模擬數(shù)字變換器、光電隔離電路；現(xiàn)場可編程邏輯門陣列包括計(jì)數(shù)控制邏輯電路、高速計(jì)數(shù)器、計(jì)數(shù)存儲(chǔ)電路、數(shù)據(jù)緩沖電路、互相關(guān)計(jì)算電路、數(shù)值比較邏輯電路、地址譯碼電路、輸入輸出控制電路、中斷控制電路。
6.一種按權(quán)利要求1所述的無參考測量系統(tǒng)和無微型位移傳感器的調(diào)焦法光學(xué)位移測頭，所構(gòu)成的基于測量相位或時(shí)間的位移測量儀，其特征在于該儀器主要由一路模擬信號(hào)處理電路、變換電路、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列電路、微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成。
7.按權(quán)利要求6所述的位移測量儀，其特征在于模擬信號(hào)處理電路包括前置放大器、高通濾波器、增益放大器電路；變換電路包括模擬數(shù)字變換器、光電隔離電路；現(xiàn)場可編程邏輯門陣列包括計(jì)數(shù)控制邏輯電路、高速計(jì)數(shù)器、計(jì)數(shù)存儲(chǔ)電路、數(shù)據(jù)緩沖電路、互相關(guān)計(jì)算電路、數(shù)值比較邏輯電路、地址譯碼電路、輸入輸出控制電路、中斷控制電路。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于測量相位或時(shí)間的調(diào)焦法光學(xué)測頭及其測量儀。屬于位移測試技術(shù)及儀器領(lǐng)域。所述的位移測頭包括由光源、音叉、物鏡、被測表面，半透半反鏡、視像器、光電元件、光闌構(gòu)成。其特征在于在測量頭中設(shè)置了由參考臂分光鏡、參考臂光學(xué)透鏡、參考臂小孔光闌、參考臂光電轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的參考測量系統(tǒng)，或者是無該參考測量系統(tǒng)和無微型位移傳感器的測量系統(tǒng)構(gòu)成的測量頭。上述的測量頭構(gòu)成的測量儀，主要由兩路模擬信號(hào)處理電路、變換電路、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列電路、微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于該位移測頭及其測量儀消除了傳統(tǒng)離焦式測頭測量范圍小，動(dòng)態(tài)掃描調(diào)焦法測頭及測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了測量精度。
文檔編號(hào)G01B21/06GK1472504SQ0313002
公開日2004年2月4日 申請(qǐng)日期2003年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月16日
發(fā)明者張國雄, 樊玉銘, 高翔, 杜穎 申請(qǐng)人:天津大學(xué)