[發明專利]基于半導體激光器組件的四自由度光學測頭

在審

• 申請號: 201610214209.7
• 申請日: 2016-04-06
• 公開（公告）號: CN105737765A
• 公開（公告）日: 2016-07-06
• 發明（設計）人: 苗恩銘;高保林;莊鑫棟;董云飛
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01B11/26
• 分類號: G01B11/26;G01B11/27
• 代理公司: 合肥金安專利事務所 34114
• 代理人: 金惠貞

技術領域

本發明屬于光學非接觸的微角度測量技術領域，具體涉及一種基于半導體激光器組件的四自由度光學測頭裝置。

背景技術

微小位移和微小角度測量是幾何測量中的重要組成部分，在精密加工、微機電系統、在線檢測、軍事、航空航海以及通訊等許多領域都具有極其重要的作用；而測頭是測量這些物理量的關鍵部件之一。精密測頭分為接觸式和非接觸式兩種，而非接觸式光學測頭由于具有非接觸、無損壞、高精確度和高靈敏度的特點而備受人們的重視，并得到越來越多的關注和發展。

最常用的多自由度實時監測系統采用的是激光干涉儀，如HP5529A動態校正裝置、Renishaw及Zygo激光測量系統，測量精度較高，但是其安裝一次僅測量一項誤差，檢測過程繁瑣而漫長；日本NihouUniversity和SophiaUniversity研究人員研究了同時測量機床工作臺多自由度誤差的光學測量系統，但是其測量頭體積大，需要安裝于活動平臺上，使應用范圍受到限制，且價格昂貴，不利于推廣；臺灣宇航研究所研究的位置姿態測量系統基于面陣CCD原理，可以獲得被測物表面特征點的位置姿態信息，其系統結構及硬件控制非常復雜，增加了安裝和調整難度；現在市面上已有銷售的是API公司的多自由度激光干涉儀，但是其價格及其昂貴，若廣泛推廣成本太高；隨著半導體激光器的廣泛應用，浙江大學提出了一種基于激光自準直的二維微角度測量裝置，利用半導體激光器和四象限探測器實現了二維角度的精確測量，但是其只能測量二維角度誤差，實際應用有限；隨后合肥工業大學的盧榮勝教授研制了一種基于廉價的DVD激光頭的自動聚焦探頭，用于法向位移和二維角度的測量，基本達到了體積小，價格低的特點，但是其能測量的量仍然不多，僅能實現三個自由度的誤差測量。因此開發體積小、精度高、易安裝、成本低的非接觸式多自由度測量裝置以適應在線實時測量的要求十分必要。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種基于半導體激光器組件的四自由度光學測頭裝置。

基于半導體激光器組件的四自由度光學測頭包括測頭機構和靶鏡機構。

所述測頭機構包括設于底板一側面上的半導體激光器1、四象限光電探測器4、二維PSD位置敏感探測器5、光隔離器和平凸透鏡6；

所述靶鏡機構包括設于基座上的半透半反鏡7和角錐棱鏡8；

用于數控機床主軸熱誤差測量時，所述測頭機構固定設于工作臺上，所述靶鏡機構固定設于動力頭的主軸上；

測量時，半導體激光器1發出的光束經過偏振分光棱鏡2后分為兩束，其中一束光經過光隔離器照射在靶鏡機構的半透半反鏡7上，有50％的光會透過半透半反鏡7到達角錐棱鏡8，經角錐棱鏡8折射后平行出射入射到四象限光電探測器4上，用作測量二維直線直線位移X、Y的參考光束；50％的光會由半透半反鏡7原路返回，入射到偏振分光棱鏡2上，再垂直出射到平凸透鏡6經準直聚焦后被二維PSD位置敏感探測器5所接受，用作俯仰角誤差、偏擺角誤差的參考光束。

本發明進一步限定的技術方案如下：

所述底板為矩形；所述四象限光電探測器4、半導體激光器1、光隔離器依次設于底板一端的同一寬度方向上，所述二維PSD位置敏感探測器5與光隔離器對應設于底板的另一端，所述平凸透鏡6設于光隔離器和二維PSD位置敏感探測器5之間的底板上；

所述四象限光電探測器4模塊和半導體激光器1之間的直線距離為10mm；

所述半導體激光器1和光隔離器之間距離為30mm；

所述光隔離器和平凸透鏡6之間的距離為50mm；

所述光隔離器和二維PSD位置敏感探測器5之間的距離為平凸透鏡的焦距長度。

所述平凸透鏡的焦距為100mm。

所述光隔離器由偏振分光棱鏡2和四分之一波片3膠合在一起組成，其中偏振分光棱鏡2與半導體激光器1相鄰，防止反射光返回到半導體激光器1，從而得到穩定的輸出。

所述二維PSD光電轉換器5的兩側分別設有導軌和定位機構，二維PSD光電轉換器5沿導軌移動實現調整相對偏振分光棱鏡2之間的距離。

所述半透半反鏡7和角錐棱鏡8中，半透半反鏡7置于角錐棱鏡8正前方，二者之間的距離為5mm，并且保證半透半反鏡7只遮擋角錐棱鏡8的邊緣一部分，確保半透半反鏡7的出射光入射到角錐棱鏡8里，而角錐棱鏡8的出射光不會被半透半反鏡7遮擋。

本發明的有益技術效果體現在以下方面：