韓 彬，黃強(qiáng)先，伍婷婷，李瑞君，陳麗娟

(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)

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基于DVD光學(xué)頭的二維微小角度測量研究

韓 彬，黃強(qiáng)先，伍婷婷，李瑞君，陳麗娟

(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)

為了實(shí)現(xiàn)精密平臺二維角度的在線檢測，提出了一種基于DVD光學(xué)頭的二維微小角度測量的方法。利用DVD光學(xué)頭進(jìn)行角度測量，是基于激光自準(zhǔn)直原理，以四象限光電探測器作為檢測元件，以固定在被測物上的反射鏡作為被測元件進(jìn)行測量的一種角度測量方法。搭建了基于英國RPI精密轉(zhuǎn)臺的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對測量方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。結(jié)果表明：基于DVD光學(xué)讀取頭設(shè)計(jì)的二維角度測量裝置測量范圍為±110″，平均分辨率達(dá)到0.2″。該測量方法穩(wěn)定、可行，且測量裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低等特點(diǎn)。

光學(xué)頭；二維角度；微小角度測量；自準(zhǔn)直原理

0 引言

角度測量是計(jì)量科學(xué)的重要組成部分，其在精密加工、航空航天、軍事和通訊等領(lǐng)域都具有極其重要的意義和作用。

在納米級測量系統(tǒng)中，工作臺的角度誤差對其定位誤差有著放大作用，尤其在違背阿貝原則的測量系統(tǒng)中，因工作臺角度誤差及阿貝臂引起的阿貝誤差更是不可忽略，需要對工作臺角度誤差進(jìn)行檢測與補(bǔ)償。光學(xué)測角方法由于具有非接觸、高準(zhǔn)確度和高靈敏度的特點(diǎn)而備受人們的重視，光學(xué)測角法的應(yīng)用越來越廣泛。目前常用的角度測量測角方法主要有光學(xué)分度頭法、光電編碼法、自準(zhǔn)直法、莫爾條紋法、光學(xué)內(nèi)反射法、激光干涉法等[1-3]。而小角度測量儀器如自準(zhǔn)直儀、激光干涉儀等[4-5]，具有高測量精度的特點(diǎn)，但由于具有體積大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴、較難組成多位測角系統(tǒng)等不足，在實(shí)際應(yīng)用中有較大的局限性，難以實(shí)現(xiàn)精密平臺微小角度的在線測量。因此，有必要研究一種結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉、使用方便的高精度微小角度測量方法。

本文提出了一種基于DVD光學(xué)讀取頭的二維微小角度測量方法。該方法利用DVD光學(xué)頭內(nèi)部自準(zhǔn)直光路，以四象限光電探測器作為檢測元件，實(shí)現(xiàn)了二維微小角度的測量。該測量方法具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉等特點(diǎn)，適用于與精密平臺結(jié)合的二維角度在線檢測。

1 DVD光學(xué)頭及角度測量原理

光學(xué)頭是DVD等光存儲系統(tǒng)所需的關(guān)鍵組件之一，是一種集成光學(xué)、機(jī)械和電路結(jié)構(gòu)的小型精密設(shè)備，其具有價(jià)格低廉，精度高的特點(diǎn)[6]。

DVD光學(xué)頭工作時由半導(dǎo)體激光二極管發(fā)射出單一波長、相位一致的激光，經(jīng)光柵衍射后形成3束光，經(jīng)偏振分光鏡、反射鏡和準(zhǔn)直鏡后，透過聚焦物鏡聚焦在DISC的信息坑點(diǎn)上；經(jīng)DISC反射回來的激光沿原光路路徑經(jīng)準(zhǔn)直透鏡、偏振分光鏡后，激光到達(dá)四象限光電探測器的受光面上，四象限光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。四象限光電傳感器會根據(jù)光點(diǎn)在四個象限上的光斑形狀及光面積分布，輸出一個聚焦誤差信號。根據(jù)像散原理，該聚焦誤差信號經(jīng)過運(yùn)算放大及補(bǔ)償處理，推動音圈馬達(dá)，將物鏡推到碟片可以聚焦的位置，達(dá)到鎖焦的目的。此時讀取頭再根據(jù)四象限光電探測器上光斑在四個象限上的光強(qiáng)變化來獲取碟片上的信息，完成資料讀取。

圖1 DVD光學(xué)頭角度測量原理圖

在利用DVD光學(xué)頭進(jìn)行角度測量時，去除其前部聚焦物鏡和音圈馬達(dá)，其測量原理如圖1所示。讓DVD 光學(xué)頭內(nèi)射出的準(zhǔn)直光束直接投射在一個被測平面反射鏡上，光束反射后進(jìn)入DVD光學(xué)頭，經(jīng)過其內(nèi)部光路，照射在四象限光電探測器上。當(dāng)被測平面反射鏡發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)時，四象限光電探測器上光斑的位置變化產(chǎn)生相應(yīng)的變化，如圖2所示。

圖2 四象限光電探測器光斑位置

當(dāng)激光照射在四象限光電探測器上時，平面反射鏡角度的變化引起聚焦光束在四象限光電探測器位置的變化，光電探測器將激光束的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，四個象限產(chǎn)生的輸出電流分別為：IA，IB，IC，ID，正比于照射在各個象限中光斑的面積。根據(jù)式(1)和式(2)，四路電流信號經(jīng)過前直放大電路、差動放大電路、除法電路、濾波電路等相應(yīng)的電路處理，輸出兩路穩(wěn)定的電壓信號，并且在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。該電壓信號變化對應(yīng)被測角度的偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)二維角度的測量。

θx=kx·(IA+IB-IC-ID)/∑I

(1)

θy=ky·(IA+ID-IB-IC)/∑I

(2)

式中∑I=IA+IB+IC+ID

實(shí)驗(yàn)測得DVD光學(xué)頭角度傳感器S曲線如圖3所示。

圖3 DVD光學(xué)頭角度傳感器S曲線

2 實(shí)驗(yàn)裝置及系統(tǒng)

為了驗(yàn)證利用DVD光學(xué)頭進(jìn)行角度測量的可行性，搭建了基于英國RPI公司AP300精密轉(zhuǎn)臺的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

AP300精密轉(zhuǎn)臺采用了全氣浮軸承結(jié)構(gòu)，減少了磨擦阻力。該轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)及臺面支撐電機(jī)直接驅(qū)動主軸，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺角度的的步進(jìn)控制與測量，其水平旋轉(zhuǎn)精度可達(dá)±0.5 s，旋轉(zhuǎn)過程中的徑向跳動及軸向跳動精度可達(dá)0.2 μm。

將DVD光學(xué)頭角度傳感器固定在轉(zhuǎn)臺旁，反射鏡固定在轉(zhuǎn)臺上隨轉(zhuǎn)臺一起轉(zhuǎn)動。實(shí)驗(yàn)前，通過光學(xué)頭固定支架上的二維微調(diào)座調(diào)整DVD光學(xué)頭的角度，使出射光垂直于反射鏡，并且光學(xué)頭角度傳感器的一個測量方向與轉(zhuǎn)臺運(yùn)動方向平行，反射光束照射在四象限光電探測器的中心。控制轉(zhuǎn)臺步進(jìn)轉(zhuǎn)動，當(dāng)反射鏡隨著轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動時，DVD光學(xué)頭內(nèi)部的四象限光電探測器上光斑位置發(fā)生變化，四象限信號經(jīng)過電路處理之后輸出穩(wěn)定的電壓信號，該電壓信號經(jīng)過高精度數(shù)據(jù)采集卡通過數(shù)模轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量，再由上位機(jī)進(jìn)行采集和處理。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖和實(shí)物圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

圖5 DVD光學(xué)頭角度傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 標(biāo)定

利用上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對基于DVD光學(xué)頭的角度測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。以AP300精密轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角度作為角度變化基準(zhǔn)，用DVD光學(xué)頭角度傳感器檢測固定在轉(zhuǎn)臺上的反射鏡的轉(zhuǎn)角，隨著反射鏡角度的變化，光斑在四象限探測器上的位置發(fā)生變化。同時記錄下轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角度和DVD角度測量裝置輸出電壓值，對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以被測反射鏡角度變化作為X軸，以測量裝置處理電路輸出電壓作為Y軸，得到角度與電壓的關(guān)系，對其進(jìn)行多項(xiàng)式擬合。如圖6、圖7所示，通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)可以得到DVD光學(xué)頭角度傳感器的角度測量范圍約為±110″，其平均分辨率為0.2″，測量系統(tǒng)的靈敏度為51.42 mV/(″)。

圖6 DVD光學(xué)頭X方向標(biāo)定實(shí)驗(yàn)關(guān)系圖

圖7 DVD光學(xué)頭Y方向標(biāo)定實(shí)驗(yàn)關(guān)系圖

3.2 重復(fù)性測試

重復(fù)性是對同一被測量進(jìn)行多次連續(xù)測量所得結(jié)果之間的一致性，是影響測量系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵，是表征其性能的重要指標(biāo)。在進(jìn)行定點(diǎn)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)時，首先需要調(diào)整DVD光學(xué)頭角度，使其兩軸的角度值均在零點(diǎn)附近，保持Y軸角度不變，通過轉(zhuǎn)臺運(yùn)動調(diào)節(jié)反射鏡，使反射鏡與DVD光學(xué)頭X軸角度為60″，記下測量系統(tǒng)的輸出角度值，再調(diào)節(jié)反射鏡至零度，重復(fù)上述過程，得到7組數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 X軸定點(diǎn)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(″)

設(shè)定值第一組第二組第三組第四組第五組第六組第七組0-0.090.180.240.050.120.480.096059.9260.4461.0459.0360.2760.2259.72

對上述數(shù)據(jù)通過貝塞爾公式計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差，并以其作為測量系統(tǒng)的重復(fù)性誤差，可以得到其X軸在0″和60″位置處的重復(fù)性誤差分別為0.18″和0.63″。

使用相同的方法，對DVD光學(xué)頭角度傳感器的Y軸進(jìn)行定點(diǎn)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，得到的數(shù)據(jù)如表2所示。

對上述數(shù)據(jù)通過貝塞爾公式計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差，并以其作為測量系統(tǒng)的重復(fù)性誤差，可以得到其Y軸在0″和-60″位置處的重復(fù)性誤差分別為0.30″和0.44″。

表2 Y軸定點(diǎn)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(″)

設(shè)定值第一組第二組第三組第四組第五組第六組第七組0-0.360.06-0.080.140.44-0.300.31-60-60.12-60.54-60.64-59.55-60.63-59.72-60.25

4 結(jié)束語

本文以DVD光學(xué)頭為基礎(chǔ)，去除前端聚焦透鏡，研究出一種新型微小角度測量方法，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的測量裝置，該裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：DVD光學(xué)頭角度傳感器的測量范圍為±110″，平均分辨率為0.2″，靈敏度為51.42 mV/(″)，驗(yàn)證了利用DVD光學(xué)頭進(jìn)行角度測量的可行性及有效性。

[1] 陶衛(wèi)，浦昭邦，孫運(yùn)斌.角度測量技術(shù)的發(fā)展.激光雜志，2002，23(2):5-7.

[2] 黃銀國. 激光自準(zhǔn)直微小角度測量基礎(chǔ)技術(shù)研究：[學(xué)位論文].天津：天津大學(xué)，2009.

[3] 錢建強(qiáng)，惠梅，王東生.四象限光電池用于二維小角度測量的應(yīng)用.儀器儀表學(xué)報(bào)，2002，23(3):538-539；544.

[4] 瑚琦，楊園園，高鵬飛，等.基于面陣圖像傳感器的自動讀值光電自準(zhǔn)直儀.儀表技術(shù)與傳感器，2011(9):20-23.

[5] 王貴甫，陳桂林，陳雨良.基于激光干涉儀的角度測量技術(shù).傳感器技術(shù)，2001，20(1):37-39,47.

[6] 李瑞君，錢劍釗，龔偉，等.基于DVD光學(xué)讀取頭的大量程高精度掃描探頭.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34(12):1761-1763；1835.

Two-dimensional Small Angle Measurement MethodBased on DVD Pick-up Head

HAN Bin,HUANG Qiang-xian,WU Ting-ting,LI Rui-jun,CHEN Li-juan

(School of Instrument Science and Opto-electronic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In order to measure the two-dimensional angle of a precision stage, a method for measuring the micro-angle by using the DVD pick-up head was used. The measurement method was based on auto-collimation theory, which used the PSD in the DVD pick-up as detector and used the mirror as object. In order to verify the measurement method, the experiment system based on the RPI precision rotary table was set up. The experimental results show that the method is simple and reliable and the detection range is ±110″and the resolution is 0.2″. The measuring device has the advantages of compact structure and low cost.

DVD pick-up head; two-dimension angle; micro-angle measurement; auto-collimation method

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175141)

2014-12-23 收修改稿日期：2015-06-30

TH712

A

1002-1841(2015)12-0107-03

韓彬(1990—)，碩士研究生，研究方向?yàn)榫軠y試技術(shù)及儀器。E-mail：hanbin0703@163.com

黃強(qiáng)先(1968—)，教授，博士，主要從事計(jì)量測試技術(shù)及儀器、微納米測量技術(shù)及儀器、儀器精度理論等領(lǐng)域的研究。E-mail：huangqx@hfut.edu.cn