高 偉， 陳曉懷， 李瑞君， 程真英

（合肥工業(yè)大學儀器科學與光電工程學院，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)大學儀器科學與光電工程學院，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)完成其設計與制作。實驗結果表明探頭分辨率優(yōu)于2 nm，測量重復性可達20 nm，目前已應用于納米三坐標測量機上。

計量學；DVD光學讀取頭；非接觸探頭；納米三坐標測量機

1 引 言

近年來微納米三坐標測量機整機及其接觸式探頭技術得到了快速發(fā)展，許多國家和地區(qū)的研究機構都公布了自行研制的三坐標觸發(fā)探頭，如德國聯(lián)邦物理技術研究院（PTB）［1，2］、英國國家物理實驗室（NPL）［3，4］、荷蘭Eindhoven大學［5，6］、臺灣大學［7］、合肥工業(yè)大學［8］等。

我們采用日立公司的DVD讀取頭HOP-1000作為研發(fā)對象，應用于納米三坐標測量機非接觸觸發(fā)探頭上，并對其運作機理以及測量原理進行了應用性研究。

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轉換為電信號，由光電傳感器輸出的電壓信號的強弱可以判斷出入射光的光強度［9］。所使用的DVD激光頭的內部傳感器由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）。

當光點打在檢測器上時，光點落在各檢測組件上的能量不等，因此其信號輸出也不同，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個象限的感光強度，并進而由后續(xù)的電路信號來計算聚焦誤差信號（Focus Error Signal，F(xiàn)ES）。

激光讀取頭的聚焦光點大小及品質，決定資料讀取的正確性，同時也影響聚焦誤差信號FES的判斷，并決定在測量應用時的精度。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，光點直徑約為0.86μm。

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

圖1 四象限傳感器信號處理與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、準直透鏡將激光束變成準直光束。準直光束經(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，使準直激光束聚焦成適合DVD光盤信息讀取的焦點。經(jīng)光盤反射的光束沿圓光路再經(jīng)過準直透鏡、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)光點在4個象限上的分布，輸出一聚焦誤差電壓信號FES，即（B＋D）－（A＋C）。這個聚焦誤差信號經(jīng)過運算放大，補償處理，驅動音圈馬達（Voice Coil Motor，VCM），將固定在音圈馬達上的全息物鏡推到可以聚焦光盤平面的位置，達到自動鎖焦的目的［10］。

圖2 DVD讀取頭內部結構圖

在DVD激光讀取頭實際讀取光盤數(shù)據(jù)的過程中，光盤除正常旋轉運動外，也會產(chǎn)生上下抖動以及偏心旋轉等不規(guī)則運動。讀取頭必須不斷將位置誤差信號反饋給伺服系統(tǒng)，通過VCM驅動器實時修正聚焦鏡組的位置，使物鏡回到聚焦面，以讀取正確信號。由于自動聚焦的緣故，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 自動聚焦與測量原理

自動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。也就是說當物體表面有起伏時，讀取頭的物鏡會隨之起伏，以便讓物鏡與物體表面間的相對距離不變，而這個相對距離就是該物鏡的焦距。

如圖3所示，在自動聚焦的過程中，當物體反射面位于物鏡的焦點時，經(jīng)過像散法處理，失焦信號為零，軌跡落在S曲線的中點，當物體反射面離開焦平面，無論是逼近還是遠離物鏡，都會使失焦信號輸出一個不為零的值，這個值經(jīng)過控制法則處理后，返回驅動音圈馬達，使物鏡朝失焦信號為零的方向移動，最后到達平衡位置。此時維持物鏡不動所需的電流轉換成可讀取的電壓信號，即是VCM的驅動電壓信號。由于推動物鏡回到平衡位置的過程是實時現(xiàn)象，光電信號的反饋運作與支撐物鏡的彈簧微量運動的配合都是在非常短的時間內完成，所以在靜態(tài)觀察下，只能看到平衡后的結果，也就是物鏡位移量對VCM驅動電壓信號的關系。

圖3 自動聚焦原理示意圖

在實驗驗證中，這個關系為近似直線的變化。因此VCM的驅動電壓會隨著表面高低而有線形的變化，只要測量到VCM驅動電壓的變化，就可以依照這個線形關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用

4.1 主軸系統(tǒng)設計

主軸系統(tǒng)提供Z方向運動，實現(xiàn)10 mm行程范圍，并能保證精密的測頭瞄準功能，因此需要設計精密機械傳動機構，圖4為主軸機械結構設計效果圖［11］。

圖4 主軸機械結構設計效果圖

蓋板固定在拱形橋架對稱中心上，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測頭測量精度產(chǎn)生的影響很小。壓電陶瓷納米電機驅動精密滑動導軌的滑動塊，將精密運動傳給與滑動塊相連接的中心軸，從而帶動探頭系統(tǒng)上下運動，使得探頭在一定運動范圍內實現(xiàn)納米級的位移分辨率。中心軸通過滑輪和配重系統(tǒng)進行重量平衡。移動距離通過平面鏡激光干涉儀基準進行精密位移感測。結構設計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，將其進行初步改裝。將音圈馬達部分拆除，測量物鏡可以獨立出來，加夾持鏡筒，可以使物鏡測頭部分的直徑減小，如圖5所示。并且合理調整物鏡對準位置，并進行性能測試，其分辨率與測量重復精度與初裝DVD讀取頭相比并沒有改變。這為組裝接觸觸發(fā)式測頭時進行空間體積上的改裝提供了便利，物鏡可調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。

圖5 DVD探頭的結構示意圖

5 實驗與結果

實驗架構示意圖如圖6所示，采用PI納米驅動臺作為位移基準，PI驅動臺采用電容傳感器為的位移反饋標準。

重復進行6次實驗，得出聚焦信號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 實驗架構示意圖

圖7 6次實驗FES信號圖

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

圖8 FES信號質量圖

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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

國家自然科學基金（51275148，50875073）

高偉（1985－），男，安徽蕭縣人，合肥工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為現(xiàn)代精度理論及其應用。gaoweihgd＠163.com