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CN105737765A - 基于半导体激光器组件的四自由度光学测头 - Google Patents

基于半导体激光器组件的四自由度光学测头 Download PDF

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CN105737765A
CN105737765A CN201610214209.7A CN201610214209A CN105737765A CN 105737765 A CN105737765 A CN 105737765A CN 201610214209 A CN201610214209 A CN 201610214209A CN 105737765 A CN105737765 A CN 105737765A
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苗恩铭
高保林
庄鑫栋
董云飞
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Abstract

本发明涉及一种基于半导体激光器组件的四自由度光学测头。包括测头机构和靶镜机构；测头机构包括半导体激光器、四象限光电探测器、二维PSD位置敏感探测器、光隔离器和平凸透镜；靶镜机构包括半透半反镜和角锥棱镜；用于测量时，测头机构固定设于工作台上，靶镜机构固定设于动力头的主轴上。半导体激光器发出的光束经偏振分光棱镜后分为两束，其中一束光入射在半透半反镜上，50%的光会透过半透半反镜入射到角锥棱镜，再经角锥棱镜反射到四象限探测器上，用作测量二维直线位移X、Y的参考光束。入射到半透半反镜上的另一半光束会沿原路返回再次入射到分光镜被垂直反射到平凸透镜，再经平凸透镜准直聚焦入射到二维PSD上，用作角度误差（俯仰角，偏摆角）的参考光束。

Description

基于半导体激光器组件的四自由度光学测头
技术领域
本发明属于光学非接触的微角度测量技术领域，具体涉及一种基于半导体激光器组件的四自由度光学测头装置。
背景技术
微小位移和微小角度测量是几何测量中的重要组成部分，在精密加工、微机电系统、在线检测、军事、航空航海以及通讯等许多领域都具有极其重要的作用；而测头是测量这些物理量的关键部件之一。精密测头分为接触式和非接触式两种，而非接触式光学测头由于具有非接触、无损坏、高精确度和高灵敏度的特点而备受人们的重视，并得到越来越多的关注和发展。
最常用的多自由度实时监测系统采用的是激光干涉仪，如HP5529A动态校正装置、Renishaw及Zygo激光测量系统，测量精度较高，但是其安装一次仅测量一项误差，检测过程繁琐而漫长；日本NihouUniversity和SophiaUniversity研究人员研究了同时测量机床工作台多自由度误差的光学测量系统，但是其测量头体积大，需要安装于活动平台上，使应用范围受到限制，且价格昂贵，不利于推广；台湾宇航研究所研究的位置姿态测量系统基于面阵CCD原理，可以获得被测物表面特征点的位置姿态信息，其系统结构及硬件控制非常复杂，增加了安装和调整难度；现在市面上已有销售的是API公司的多自由度激光干涉仪，但是其价格及其昂贵，若广泛推广成本太高；随着半导体激光器的广泛应用，浙江大学提出了一种基于激光自准直的二维微角度测量装置，利用半导体激光器和四象限探测器实现了二维角度的精确测量，但是其只能测量二维角度误差，实际应用有限；随后合肥工业大学的卢荣胜教授研制了一种基于廉价的DVD激光头的自动聚焦探头，用于法向位移和二维角度的测量，基本达到了体积小，价格低的特点，但是其能测量的量仍然不多，仅能实现三个自由度的误差测量。因此开发体积小、精度高、易安装、成本低的非接触式多自由度测量装置以适应在线实时测量的要求十分必要。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于半导体激光器组件的四自由度光学测头装置。
基于半导体激光器组件的四自由度光学测头包括测头机构和靶镜机构。
所述测头机构包括设于底板一侧面上的半导体激光器1、四象限光电探测器4、二维PSD位置敏感探测器5、光隔离器和平凸透镜6；
所述靶镜机构包括设于基座上的半透半反镜7和角锥棱镜8；
用于数控机床主轴热误差测量时，所述测头机构固定设于工作台上，所述靶镜机构固定设于动力头的主轴上；
测量时，半导体激光器1发出的光束经过偏振分光棱镜2后分为两束，其中一束光经过光隔离器照射在靶镜机构的半透半反镜7上，有50％的光会透过半透半反镜7到达角锥棱镜8，经角锥棱镜8折射后平行出射入射到四象限光电探测器4上，用作测量二维直线直线位移X、Y的参考光束；50％的光会由半透半反镜7原路返回，入射到偏振分光棱镜2上，再垂直出射到平凸透镜6经准直聚焦后被二维PSD位置敏感探测器5所接受，用作俯仰角误差、偏摆角误差的参考光束。
本发明进一步限定的技术方案如下：
所述底板为矩形；所述四象限光电探测器4、半导体激光器1、光隔离器依次设于底板一端的同一宽度方向上，所述二维PSD位置敏感探测器5与光隔离器对应设于底板的另一端，所述平凸透镜6设于光隔离器和二维PSD位置敏感探测器5之间的底板上；
所述四象限光电探测器4模块和半导体激光器1之间的直线距离为10mm；
所述半导体激光器1和光隔离器之间距离为30mm；
所述光隔离器和平凸透镜6之间的距离为50mm；
所述光隔离器和二维PSD位置敏感探测器5之间的距离为平凸透镜的焦距长度。
所述平凸透镜的焦距为100mm。
所述光隔离器由偏振分光棱镜2和四分之一波片3胶合在一起组成，其中偏振分光棱镜2与半导体激光器1相邻，防止反射光返回到半导体激光器1，从而得到稳定的输出。
所述二维PSD光电转换器5的两侧分别设有导轨和定位机构，二维PSD光电转换器5沿导轨移动实现调整相对偏振分光棱镜2之间的距离。
所述半透半反镜7和角锥棱镜8中，半透半反镜7置于角锥棱镜8正前方，二者之间的距离为5mm，并且保证半透半反镜7只遮挡角锥棱镜8的边缘一部分，确保半透半反镜7的出射光入射到角锥棱镜8里，而角锥棱镜8的出射光不会被半透半反镜7遮挡。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1、本发明分别利用四象限光电探测器、二维PSD位置敏感探测器和半透半反镜增加了一个含有位置信息的参考光束能够透视实现两个直线度误差和两个角度误差的四个自由度在线测量。
2、本发明基本实现了位移测量和角度测量的误差分离。当靶镜沿直线导轨运动时，其中三维平移及滚转对直角反射棱镜的法向方向没有影响，即入射到二维PSD位置敏感探测器(5)上的光斑位移对三个方向的平移及滚转角不敏感，只对俯仰角和偏摆角敏感。而靶镜的俯仰和偏摆会对直线位移测量引入了一个线性误差，但是这个线性误差正好可以先通过对角度的标定确定下来，最终的直线度误差再减去这个线性误差就可以得到准确地二维直线位移误差值。
3、本发明的靶镜大小为150mm*250mm，测头放在被测物体上，实验结果表明直线度测量精度在±600um范围内能够达到1um；角度测量在±500arcsce范围内精度能够达到2arcsce。
4、本发明的测头不带电缆，能够满足长距离移动测量的要求。
5、本发明结构简单、操作方便、体积小、测量精度高、分辨力和测量范围可调、动态响应好、成本低。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明X、Y方向直线度测量测量原理示意图；
图3为本发明角度测量(俯仰角、偏摆角)测量原理示意图；
图4为采用本发明进行直线度误差和角度误差测量示意图；
图5为采用本发明进行数控机床热误差测量示意图；
上图中的序号：半导体激光器1、偏振分光棱镜2、四分之一波片3、四象限光电探测器4、二维PSD位置敏感探测器5、平凸透镜6、半透半反镜7、角锥棱镜8、机床工作台9、连杆10、机床主轴11。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。
参见图1，基于半导体激光器组件的四自由度光学测头包括测头机构和靶镜机构。
测头机构包括安装于底板一侧面上的半导体激光器1、四象限光电探测器4、二维PSD位置敏感探测器5、光隔离器和平凸透镜6。底板为矩形；四象限光电探测器4、半导体激光器1、光隔离器依次安装于底板一端的同一宽度方向上，二维PSD位置敏感探测器5与光隔离器对应安装于底板的另一端，平凸透镜6安装于光隔离器和二维PSD位置敏感探测器5之间的底板上。
四象限光电探测器4模块和半导体激光器1之间的直线距离为10mm；半导体激光器1和光隔离器之间距离为30mm；光隔离器和平凸透镜6之间的距离为50mm；光隔离器和二维PSD位置敏感探测器5之间的距离为平凸透镜的焦距长度。平凸透镜6的焦距为100mm。
光隔离器由偏振分光棱镜2和四分之一波片3胶合在一起组成，其中偏振分光棱镜2与半导体激光器1相邻，防止反射光返回到半导体激光器1，从而得到稳定的输出。
二维PSD位置敏感探测器5的两侧分别安装有导轨和定位机构，二维PSD位置敏感探测器5沿导轨移动实现调整相对偏振分光棱镜2之间的距离。
靶镜机构包括安装于基座上的半透半反镜7和角锥棱镜8。半透半反镜7和角锥棱镜8中，半透半反镜7置于角锥棱镜8正前方，二者之间的距离为5mm，并且保证半透半反镜7只遮挡角锥棱镜8的边缘一部分，确保半透半反镜7的出射光入射到角锥棱镜8里，而角锥棱镜8的出射光不会被半透半反镜7遮挡。
参见图5，用于数控机床主轴热误差测量时，测头机构固定安装于工作台9上，靶镜机构通过连杆10固定安装于机床主轴11上。
半导体激光器1发出的光束经过偏振分光棱镜2后分为两束，其中P偏振光透过偏振分光棱镜2，经四分之一波片3后变为圆偏振光，入射到半透半反镜7前方入射面，其中50％的光会透过半透半反镜7经角锥棱镜8折射返回入射到四象限光电探测器4上，作为测量X、Y方向直线度误差的参考光束；另外50％的光会在半透半反镜7前端沿原路返回，二次通过四分之一波片3转变成S偏振光，此时不能通过偏振分光棱镜2，而是由偏振分光棱镜2垂直反射后经过平凸透镜6聚焦准直，最后入射到二维PSD位置敏感探测器上，作为二维角度(俯仰角，偏摆角)测量的参考光束，最后在经过信号处理模块的处理送入到上位机当中实时显示测量值。
参见图2，X、Y方向直线度误差测量的基准为半导体激光器1发出的平行于被测件表面的光束，进行测量时角锥棱镜8沿被测件表面移动，被测件表面的直线度误差是角锥棱镜8和参考光束之间产生相对移动，从而使后向反射的光束照射到四象限光电探测器4上时产生位置变化，当角锥棱镜8在X方向有△x的位移时，照射到四象限光电探测器4上的光斑中心将移动2△x，通过信号处理电路，即可得出直线度误差对应的电压信号，标定后即可实现X方向直线度误差的测量。Y方向直线度误差测量原理同理。
参见图3，测量基准光束由半透半反镜7反射回测头，反射光束经过平凸透镜6成像，由二维PSD光电转换器5接收。如果反射绕Y轴有一倾角α，则反射转角为2α，二维PSD位置敏感探测器5上光斑中心与为偏转之前产生了S大小的距离偏差，此偏转角的大小是以二维PSD位置敏感探测器5上的光斑位移来表示,其中f为平凸透镜6的焦距。绕X轴旋转的俯仰角测量同理。
四象限光电探测器4分为A、B、C、D四个象限，由四个相同的光电二极管组成，它的输出(Xout,Yout)可以表示为：其中IA，IB，IC，ID分别为A、B、C、D四个象限产生的电流输出，正比于照射在各个象限中光斑的面积。定义Xout,Yout为归一化误差信号。
二维PSD位置敏感探测器5包含有三层，上层为P层，下面为N层，中间为I层，其中P层是光敏层。当光找到二维PSD位置敏感探测器5的光敏面上时，P层就会产生与光成比例的光电流，且两个电极输出的电流分别与光电到两个电极之间的距离成反比。本发明使用的是枕型二维PSD位置敏感探测器，其特点是暗电流小，线性度优良。二维PSD位置敏感探测器5的光点能量中心坐标表达式为(x，y)：其中Ix·、Ix、Iy·、Iy为二维PSD相互垂直的两个电极的四个电流输出引脚，L为两个电极间距离的一半。
直线度测量中当固定在被侧物体上的角锥棱镜8沿X轴移动时，入射在四象限光电探测器4上的光斑会沿Y轴方向移动，当其沿Y轴移动时，入射在四象限光电探测器4上的光斑会沿X轴方向移动，当其存在一个二维的直线度变化时，四象限光电探测器4表面的光斑将产生相应的X、Y两个方向的微位移，这样二维直线度误差变化可以被同时探测。角度测量中当固定在被测物体上的半透半反镜7绕X轴转动时，入射在二维PSD位置敏感探测器5上的光斑会沿Y轴方向移动，当其绕Y轴转动时，入射在二维PSD位置敏感探测器5上的光斑会沿X轴方向移动，当其存在一个二维的角度变化时，二维PSD位置敏感探测器5表面的光斑将产生相应的X、Y两个方向的微位移，这样俯仰角和偏摆角的变化可以被同时探测。
下面举两个例子进行说明。
参见图4，用于测量时，打开半导体激光器1，使出射激光垂直照射在靶镜上，靶镜安装在被测物上，设定此时位移测量和角度测量装置初始信号为零，令靶镜沿X轴正方向移动一个微小位移△x，角锥棱镜与入射光束之间产生相对位移，从而使后向反射照射在四象限光电探测器4上的光斑产生2△x的位移，这样光斑中心不在位于原点，而是沿X轴正方向移动，A、D象限光斑面积变大，电流输出增大；B、C象限光斑面积减小，电流输出减小，A、B、C、D四路微电流信号经信号处理电路后由微电流信号转变为可探测的电压信号，通过数据采集标定即可测出被测物体的直线位移△x，Y方向直线度误差测量同理；再令靶镜绕Y轴顺时针转过一个微小角度β，经半透半反镜7反射的光束角度发生相应变化，被偏振分光棱镜2反射后，照射在二维PSD5上的光斑位置不再位于原点，而是沿X轴正方向移动，通过对输出电信号的计算标定即可测出被测物体的偏摆角度变化值β，绕X轴的俯仰角测量同理。

Claims (6)

1.基于半导体激光器组件的四自由度光学测头，其特征在于：包括测头机构和靶镜机构；
所述测头机构包括设于底板一侧面上的半导体激光器（1）、四象限光电探测器（4）、二维PSD位置敏感探测器（5）、光隔离器和平凸透镜（6）；
所述靶镜机构包括设于基座上的半透半反镜（7）和角锥棱镜（8）；
用于数控机床主轴热误差测量时，所述测头机构固定设于工作台上，所述靶镜机构固定设于动力头的主轴上；
测量时，半导体激光器（1）发出的光束经过偏振分光棱镜（2）后分为两束，其中一束光经过光隔离器照射在靶镜机构的半透半反镜（7）上，有50%的光会透过半透半反镜（7）到达角锥棱镜（8），经角锥棱镜（8）折射后平行出射入射到四象限光电探测器（4）上，用作测量二维直线直线位移X、Y的参考光束；50%的光会由半透半反镜（7）原路返回，入射到偏振分光棱镜（2）上，再垂直出射到平凸透镜（6）经准直聚焦后被二维PSD位置敏感探测器（5）所接受，用作俯仰角误差、偏摆角误差的参考光束。
2.根据权利要求1所述的基于半导体激光器组件的四自由度光学测头，其特征在于：所述底板为矩形；所述四象限光电探测器（4）、半导体激光器（1）、光隔离器依次设于底板一端的同一宽度方向上，所述二维PSD位置敏感探测器（5）与光隔离器对应设于底板的另一端，所述平凸透镜（6）设于光隔离器和二维PSD位置敏感探测器（5）之间的底板上；
所述四象限光电探测器（4）模块和半导体激光器（1）之间的直线距离为10mm；
所述半导体激光器（1）和光隔离器之间距离为30mm；
所述光隔离器和平凸透镜（6）之间的距离为50mm；
所述光隔离器和二维PSD位置敏感探测器（5）之间的距离为平凸透镜的焦距长度。
3.根据权利要求2所述的基于半导体激光器组件的四自由度光学测头，其特征在于：所述平凸透镜的焦距为100mm。
4.根据权利要求1或2所述的基于半导体激光器组件的四自由度光学测头，其特征在于：所述光隔离器由偏振分光棱镜（2）和四分之一波片（3）胶合在一起组成，其中偏振分光棱镜（2）与半导体激光器（1）相邻，防止反射光返回到半导体激光器（1），从而得到稳定的输出。
5.根据权利要求1所述的基于半导体激光器组件的四自由度光学测头，其特征在于：
所述二维PSD位置敏感探测器（5）的两侧分别设有导轨和定位机构，二维PSD位置敏感探测器（5）沿导轨移动实现调整相对偏振分光棱镜（2）之间的距离。
6.根据权利要求1所述的基于半导体激光器组件的四自由度光学测头，其特征在于：
所述半透半反镜（7）和角锥棱镜（8）中，半透半反镜（7）置于角锥棱镜（8）正前方，二者之间的距离为5mm，并且保证半透半反镜（7）只遮挡角锥棱镜（8）的边缘一部分，确保半透半反镜（7）的出射光入射到角锥棱镜（8）里，而角锥棱镜（8）的出射光不会被半透半反镜（7）遮挡。
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