用于納米三坐標機的非接觸式觸發(fā)探頭的研制

張珂 蔣慶磊

摘 ?要：在進行微米級測量時，納米三坐標機常用的接觸式探頭會損傷軟的或脆的待測品。該文研制了一種用藍光DVD讀取頭作為傳感器的非接觸式觸發(fā)探頭。該探頭的測量原理是當待測樣品位于探頭聚焦面時，聚焦誤差信號返回值為零。將該探頭安裝于三維納米平臺上實驗，結(jié)果顯示觸發(fā)分辨率達1nm，標準差約12nm。

關(guān)鍵詞：藍光DVD讀取頭 ?非接觸式觸發(fā)探頭 ?納米三坐標

中圖分類號：TH721 ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）05（a）-0069-02

隨著產(chǎn)品微型化的發(fā)展，對產(chǎn)品質(zhì)量的要求隨著制造工藝的發(fā)展而提高。由于待測表面和坐標測量技術(shù)并不真正適用于微結(jié)構(gòu)的測量，因此產(chǎn)生了嚴重的測量問題。在過去的十幾年中，一些具有納米分辨率的中、微尺度零件的微米或納米坐標測量機已經(jīng)被開發(fā)出來，它們采用的是接觸式探頭。接觸探頭雖然具有環(huán)境影響小、測量角度大等優(yōu)點，但也存在著難以克服的缺點，如工件損壞、探頭磨損、接觸力大、無法測量小空腔等問題。

針對微米/納米三坐標機，也有很多非接觸式探頭系統(tǒng)被研發(fā)出來了，比如基于聚焦傳感器的、共焦、光纖探測器陣列等。然而，基于聚焦的探頭通常采用紅光激光二極管，難以提高測量精度;基于電容傳感器的探頭僅適用于電子試樣;基于光纖陣列的探頭無法達到納米級精度。該文提出了一種基于藍光DVD讀取頭的微米/納米坐標測量機非接觸式觸發(fā)探頭，并介紹其設計原理、結(jié)構(gòu)和實驗數(shù)據(jù)分析。實驗結(jié)果顯示了該探頭非接觸觸發(fā)測量的能力。

1 ?探頭結(jié)構(gòu)

該非接觸式觸發(fā)探頭由聚焦傳感器和用于保持和調(diào)整傳感器的機械結(jié)構(gòu)組成。

1.1 聚焦傳感器

該探頭的探測系統(tǒng)采用的聚焦傳感器由拆除三洋（BD410）DVD讀取頭的音圈馬達改裝的（見圖1）。激光二極管發(fā)出的激光通過光柵衍射后，通過分光鏡和1/4波片、準直透鏡和聚焦透鏡，最后聚焦到光盤表面。反射光束再經(jīng)過準直透鏡、1/4玻片和分光鏡后，通過柱面透鏡投射到四象限探測器上。如果被測表面離焦點較近或較遠，則光敏二極管上的光束圖像在不同方向上會變成橢圓形狀。當被測表面處于焦點時，圖像變?yōu)閳A形，根據(jù)4個象限的光斑分布，可以獲得聚焦誤差信號（FES）。經(jīng)過校正后，F(xiàn)ES曲線可以描述出光盤表面輪廓。

1.2 探頭結(jié)構(gòu)

為了減少非接觸式觸發(fā)探頭的尺寸，用直角棱鏡使激光光束轉(zhuǎn)90°用細長管固定聚焦透鏡。圖2是安裝在納米三坐標機上的非接觸式觸發(fā)探頭機械結(jié)構(gòu)示意圖。該非接觸式觸發(fā)探頭可由柔性機構(gòu)內(nèi)的4顆螺釘調(diào)節(jié)從而使聚焦透鏡光軸垂直于反射面。

2 ?實驗設備和結(jié)果

實驗裝置包括運動平臺、探頭和試驗件組成。由Physik生產(chǎn)的重復性為2nm的納米平臺被用作運動平臺和位移傳感器，鏡子作為試驗件。FES曲線信號由D/A轉(zhuǎn)換器（NI DAQ卡）傳遞到個人計算機。實驗重復進行了6次，其聚焦誤差信號（FES）曲線如圖3所示。從圖3可以看出FES曲線在1～3μm之間的位置線性度高，相應的電壓差是8V，擬合直線的斜率為0.25nm/mV。我們收集了該探頭的聚焦誤差信號（FES）在2h內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2h內(nèi)，噪聲小于4mV。因此，我們可以估計該非接觸式觸發(fā)探頭的分辨率小于1nm。若將FES為零時的位置設為探頭觸發(fā)點，由表1列出的6次觸發(fā)數(shù)據(jù)我們能得到：探頭的觸發(fā)標準偏差小于12nm，該數(shù)據(jù)驗證了該探頭的高重復性。

3 ?結(jié)語

該文研究了一種基于商用藍光DVD讀取頭的非接觸觸發(fā)探頭，并設計制造了其聚焦傳感器和機械結(jié)構(gòu)。藍光激光具有比紅光更短的FES距離，從而能獲得更好的分辨率。實驗結(jié)果表明，該非接觸式觸發(fā)探頭的分辨率為1nm，標準偏差為12nm。該非接觸式觸發(fā)探頭可用于微/納米三坐標測量儀上，用來測量硬、軟材料。此外，這種零觸發(fā)式傳感器可以測量任何由MEMS工藝制成的材料或復合材料。

參考文獻

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