高 偉， 陳曉懷， 李瑞君， 程真英

（合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

一種基于DVD讀取頭的非接觸觸發(fā)探頭

高 偉， 陳曉懷， 李瑞君， 程真英

（合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

提出了一種基于DVD讀取頭原理的非接觸光學(xué)聚焦探頭，該探頭由商用DVD讀取頭改裝而成，已經(jīng)完成其設(shè)計(jì)與制作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明探頭分辨率優(yōu)于2 nm，測量重復(fù)性可達(dá)20 nm，目前已應(yīng)用于納米三坐標(biāo)測量機(jī)上。

計(jì)量學(xué)；DVD光學(xué)讀取頭；非接觸探頭；納米三坐標(biāo)測量機(jī)

1 引 言

近年來微納米三坐標(biāo)測量機(jī)整機(jī)及其接觸式探頭技術(shù)得到了快速發(fā)展，許多國家和地區(qū)的研究機(jī)構(gòu)都公布了自行研制的三坐標(biāo)觸發(fā)探頭，如德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）［1，2］、英國國家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）［3，4］、荷蘭Eindhoven大學(xué)［5，6］、臺(tái)灣大學(xué)［7］、合肥工業(yè)大學(xué)［8］等。

我們采用日立公司的DVD讀取頭HOP-1000作為研發(fā)對(duì)象，應(yīng)用于納米三坐標(biāo)測量機(jī)非接觸觸發(fā)探頭上，并對(duì)其運(yùn)作機(jī)理以及測量原理進(jìn)行了應(yīng)用性研究。

2 DVD激光讀取頭聚焦原理

DVD激光頭組件中的激光二極管為讀取頭提供穩(wěn)定的測量用激光光源；光學(xué)組件包括穿透式光柵、分光鏡、1／4波片、聚焦物鏡、光電傳感器等。光電傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由光電傳感器輸出的電壓信號(hào)的強(qiáng)弱可以判斷出入射光的光強(qiáng)度［9］。所使用的DVD激光頭的內(nèi)部傳感器由4片面積相同且光電形式相同的光電傳感器所組成，稱為四象限傳感器（Quadrant detector）。

當(dāng)光點(diǎn)打在檢測器上時(shí)，光點(diǎn)落在各檢測組件上的能量不等，因此其信號(hào)輸出也不同，利用電子線路比較各檢測組件的輸出，就可獲知光點(diǎn)位置差。激光讀取頭就是利用四象限傳感器來分別偵測4個(gè)象限的感光強(qiáng)度，并進(jìn)而由后續(xù)的電路信號(hào)來計(jì)算聚焦誤差信號(hào)（Focus Error Signal，F(xiàn)ES）。

激光讀取頭的聚焦光點(diǎn)大小及品質(zhì)，決定資料讀取的正確性，同時(shí)也影響聚焦誤差信號(hào)FES的判斷，并決定在測量應(yīng)用時(shí)的精度。所使用的DVD讀取頭性能參數(shù)：數(shù)值孔徑AN＝0.6，波長λ＝650 nm，光點(diǎn)直徑約為0.86μm。

DVD激光讀取頭的聚焦原理為像散法（Astigmatic Method）。當(dāng)透鏡的垂直焦距與水平焦距不同時(shí)，如圖1（a）所示，則物體若偏離透鏡前焦平面位置時(shí)，在四象限光傳感器上的成像光點(diǎn)呈現(xiàn)橢圓變化，當(dāng)物體處于透鏡的正焦平面位置時(shí)，成像光點(diǎn)呈現(xiàn)圓形（FES＝0），四象限的感應(yīng)信號(hào)A、B、C、D，經(jīng)信號(hào)處理，即（A＋C）－（B＋D），見圖1（b），失焦信號(hào)對(duì)失焦位移量的關(guān)系成S曲線，如圖1（c）所示。

圖1 四象限傳感器信號(hào)處理與S曲線

3 DVD激光探頭系統(tǒng)測量原理

3.1 讀取頭運(yùn)作原理

如圖2所示，激光二極管在加電以后發(fā)射約為0.5 mW的波長650 nm的紅激光光束，經(jīng)光柵衍射后形成3束檢測光，再經(jīng)分光鏡、反射鏡、準(zhǔn)直透鏡將激光束變成準(zhǔn)直光束。準(zhǔn)直光束經(jīng)過鏡片中央呈現(xiàn)有間隔幾十到數(shù)百微米同心圓溝槽的全息透鏡后，使準(zhǔn)直激光束聚焦成適合DVD光盤信息讀取的焦點(diǎn)。經(jīng)光盤反射的光束沿圓光路再經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡、反射鏡和分光鏡后穿越柱面像散透鏡，投射到四象限光電二極管傳感器（four-quadrant photodetector）A、B、C、D上。四象限光電二極管傳感器根據(jù)光點(diǎn)在4個(gè)象限上的分布，輸出一聚焦誤差電壓信號(hào)FES，即（B＋D）－（A＋C）。這個(gè)聚焦誤差信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大，補(bǔ)償處理，驅(qū)動(dòng)音圈馬達(dá)（Voice Coil Motor，VCM），將固定在音圈馬達(dá)上的全息物鏡推到可以聚焦光盤平面的位置，達(dá)到自動(dòng)鎖焦的目的［10］。

圖2 DVD讀取頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

在DVD激光讀取頭實(shí)際讀取光盤數(shù)據(jù)的過程中，光盤除正常旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外，也會(huì)產(chǎn)生上下抖動(dòng)以及偏心旋轉(zhuǎn)等不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。讀取頭必須不斷將位置誤差信號(hào)反饋給伺服系統(tǒng)，通過VCM驅(qū)動(dòng)器實(shí)時(shí)修正聚焦鏡組的位置，使物鏡回到聚焦面，以讀取正確信號(hào)。由于自動(dòng)聚焦的緣故，物鏡始終隨著光盤反射面的表面起伏，如果可以得知物鏡位移的方法，就能了解工件表面的輪廓分布甚至粗糙度。

3.2 自動(dòng)聚焦與測量原理

自動(dòng)聚焦是指待測物的反射面總是可以鎖在激光讀取頭的物鏡焦平面上。也就是說當(dāng)物體表面有起伏時(shí)，讀取頭的物鏡會(huì)隨之起伏，以便讓物鏡與物體表面間的相對(duì)距離不變，而這個(gè)相對(duì)距離就是該物鏡的焦距。

如圖3所示，在自動(dòng)聚焦的過程中，當(dāng)物體反射面位于物鏡的焦點(diǎn)時(shí)，經(jīng)過像散法處理，失焦信號(hào)為零，軌跡落在S曲線的中點(diǎn)，當(dāng)物體反射面離開焦平面，無論是逼近還是遠(yuǎn)離物鏡，都會(huì)使失焦信號(hào)輸出一個(gè)不為零的值，這個(gè)值經(jīng)過控制法則處理后，返回驅(qū)動(dòng)音圈馬達(dá)，使物鏡朝失焦信號(hào)為零的方向移動(dòng)，最后到達(dá)平衡位置。此時(shí)維持物鏡不動(dòng)所需的電流轉(zhuǎn)換成可讀取的電壓信號(hào)，即是VCM的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)。由于推動(dòng)物鏡回到平衡位置的過程是實(shí)時(shí)現(xiàn)象，光電信號(hào)的反饋運(yùn)作與支撐物鏡的彈簧微量運(yùn)動(dòng)的配合都是在非常短的時(shí)間內(nèi)完成，所以在靜態(tài)觀察下，只能看到平衡后的結(jié)果，也就是物鏡位移量對(duì)VCM驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)的關(guān)系。

圖3 自動(dòng)聚焦原理示意圖

在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，這個(gè)關(guān)系為近似直線的變化。因此VCM的驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)隨著表面高低而有線形的變化，只要測量到VCM驅(qū)動(dòng)電壓的變化，就可以依照這個(gè)線形關(guān)系求得物鏡的位移量，從而得出物體表面的輪廓。因此，如果將物鏡固定，根據(jù)輸出電壓的變化，就可以得到物體表面的形貌高低變化，成為位移測量的感測元件。

4 非接觸式聚焦探頭及應(yīng)用

4.1 主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主軸系統(tǒng)提供Z方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)10 mm行程范圍，并能保證精密的測頭瞄準(zhǔn)功能，因此需要設(shè)計(jì)精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，圖4為主軸機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果圖［11］。

圖4 主軸機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果圖

蓋板固定在拱形橋架對(duì)稱中心上，使橋架受力產(chǎn)生的變形集中在其中心部位，由前文敘述得知其對(duì)測頭測量精度產(chǎn)生的影響很小。壓電陶瓷納米電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密滑動(dòng)導(dǎo)軌的滑動(dòng)塊，將精密運(yùn)動(dòng)傳給與滑動(dòng)塊相連接的中心軸，從而帶動(dòng)探頭系統(tǒng)上下運(yùn)動(dòng)，使得探頭在一定運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的位移分辨率。中心軸通過滑輪和配重系統(tǒng)進(jìn)行重量平衡。移動(dòng)距離通過平面鏡激光干涉儀基準(zhǔn)進(jìn)行精密位移感測。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中兼顧激光干涉儀的測量軸與測頭的測量軸重合，消除阿貝誤差，提高探頭系統(tǒng)的測試精度。

4.2 聚焦探頭改裝

使用DVD激光讀取頭的聚焦功能，將其進(jìn)行初步改裝。將音圈馬達(dá)部分拆除，測量物鏡可以獨(dú)立出來，加夾持鏡筒，可以使物鏡測頭部分的直徑減小，如圖5所示。并且合理調(diào)整物鏡對(duì)準(zhǔn)位置，并進(jìn)行性能測試，其分辨率與測量重復(fù)精度與初裝DVD讀取頭相比并沒有改變。這為組裝接觸觸發(fā)式測頭時(shí)進(jìn)行空間體積上的改裝提供了便利，物鏡可調(diào)整與物鏡鏡筒的伸縮，為將來接觸觸發(fā)式測頭微型化打下基礎(chǔ)。

圖5 DVD探頭的結(jié)構(gòu)示意圖

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)架構(gòu)示意圖如圖6所示，采用PI納米驅(qū)動(dòng)臺(tái)作為位移基準(zhǔn)，PI驅(qū)動(dòng)臺(tái)采用電容傳感器為的位移反饋標(biāo)準(zhǔn)。

重復(fù)進(jìn)行6次實(shí)驗(yàn)，得出聚焦信號(hào)FES如圖7所示。從圖7中可以看出，0.4～3.2μm段線性比較好，F(xiàn)ES電壓變化量為3.64 V。FES線性斜率約為0.9 nm／mV。

圖6 實(shí)驗(yàn)架構(gòu)示意圖

圖7 6次實(shí)驗(yàn)FES信號(hào)圖

實(shí)際測量過程中，可以以圖7所示FES曲線線性部分的任意一點(diǎn)作為觸發(fā)點(diǎn)，圖7中各個(gè)測量點(diǎn)的6次重復(fù)測量精度均小于20 nm。從圖8可知，F(xiàn)ES信號(hào)噪聲低于2 mV，因此可得出非接觸探頭的分辨率優(yōu)于2 nm。

圖8 FES信號(hào)質(zhì)量圖

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A Non-contact Trigger Probe Based on DVD Pick-up Head

GAOWei， CHEN Xiao-huai， LIRui-jun， CHENG Zhen-ying
（School of Instrument Science and Opto-electric Engineering，Hefei University of Technology，Hefei，Anhui230009，China）

A non-contact trigger probe based on the commercial DVD pick-up head is presented.The focus sensor and themechanism have been designed andmanufactured.Experimental results show thatof the resolution of non-contact trigger probe is better than 2 nm and the repeatability reaches20 nm.The non-contact trigger probe can be used on amicro／nano CMM.

Metrology；DVD optical pickup head；Non-contact probe；Nano-CMM

TB92

A

1000-1158（2014）01-0030-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．01．07

2012-11-16；

2013-04-23

國家自然科學(xué)基金（51275148，50875073）

高偉（1985－），男，安徽蕭縣人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代精度理論及其應(yīng)用。gaoweihgd＠163.com