光学非球面自动对焦测量系统研究

图 ４ 光学显微镜自动对焦的光路图
如图 ５ 所示激光束经反射镜以偏心 s 射向 物镜，激光束与物镜的光轴平行，成像于物镜的 焦平面 M 点，反射后经辅助目镜成像于接受面 二象限硅光电池的中心 M ′ ，此时，两个光电池 电压输出相等，放大器的电压输出 u 为零；当被 检测的焦面离焦时，如图中所示的位置，则成像 后在光电池上偏离中心量为 ± X 。两个光电池 电压输出不等， 仪用放大器的电压输出 u 不为 零，离焦量为正其电压输出 u 为正， 离焦量为 负其电压输出 u 为负。
２ 自动对焦光栅测量系统组成
图 ３ 所示是自动对焦光栅测量系统构成示 意图，自动对焦驱动机械系统 （自动对焦驱动机
１ 检测系统 ２ 砂轮 ３ 工件 ４ 机床 图 １ 非球面磨削加工系统
图 １ 所示是非球面磨削加工系统示意图。
O 是加工与检测的基准点； 来自百度文库工时，砂轮沿加
工轨迹曲线 AC 对工件加工；测量时， 检测系 统沿 ｘ 方向的测量轨迹 ＯＯ’测量，测量数据用 于补偿砂轮加工。本文设计的用于非球面测量
设计技术
光学非球面自动对焦测量系统研究
仲进安 郭隐彪
（ 厦门大学机电系 福建 厦门 ３６１００５） 摘 要：影响高精度非球面磨削加工精度的不仅是机床、刀具和数控技术等参数，而且取决于制造系统所采用测试手段 和所能达到测量精度。本文针对非球面制造系统的测量特点，将光栅测量技术和光学显微镜自动对焦技术引入环节， 进而提高对非球面工件测量精度，解决了制约非球面加工精度提高的测量问题。 关键词： 自动对焦 光电检测技术 非球面 加工精度
式（１）中： K －－光学显微镜的放大倍数 由图 ５ 可知，当离焦量很大时，激光束将 不在光电池上成像， 此时，放大器的电压输出 u 为零，因而无法判断工件距离显微镜远还是近。
１ ． 非球面加工及检测系统
图 ２ 检测系统工作示意图
长期以来，非球面检测技术一直是制约非 球面制造精度提高的难题，尤其对于高精度非 球面表面的检测。由于非球面表面比较粗糙不 能用常规方法（如刀口阴影法，激光数字干涉 仪等） 进行检测。 文献［１］把光栅测量技术引入 非球面检测系统，采用机械接触式测量。 虽然接 触式测量方法具有较高的分辨率和可信度，且 技术发展得相当完善， 但它存在一定的接触力， 需要进行测头半径补偿、测头容易划伤被测表 面或被表面划伤、难以达到较高精度。近年来， 在表面测量领域广泛采用非接触式测量技术， 如扫描电子显微镜检测法、扫描共焦显微镜检 测法，并且测量精度已从微米尺度进入纳米尺 ［２］ 度 。本文在非球面检测系统中引入光学显微 镜自动对焦测量技术和光栅位移测量技术，以 ［３］ 提高其测量精度 。
设计技术
理仍反馈到对焦控制系统。对焦控制系统通过 图像信号判别工件表面上被测的某点是否在显 微镜的焦点处（即是否对焦） ，如不在，则通过 对焦驱动机械系统的步进电机驱动 ＣＣＤ 摄像机 与显微镜上下移动，使显微镜初步对焦（即初 步定位） 。 由于 ＣＣＤ 摄像机的对焦精度不高， 须 进行精确对焦 （即精确定位） ， 精确对焦采用偏 心光束法自动对焦，此时确定 ＣＣＤ 摄像机与显 微镜的相对位置的信息是通过光电探测器反馈 到对焦控制系统，对焦控制系统通过光电信号 是否为零判别工件表面上被测的某点是否在显 微镜的焦点处（即是否对焦） ，如不在，则通过 对焦驱动机械系统的压电陶瓷驱动 ＣＣＤ 摄像机 与显微镜上下移动，使显微镜精确对焦。在第 一点采用初步对焦之后，在接下一点测量不必 采用初步对焦，而直接采用压电陶瓷驱动实现 精确对焦，由于压电陶瓷变形量有限，当压电 陶瓷变形接近某一极限， 就要采用重复对焦 （即 重复定位）调整压电陶瓷变形量。对于初步对 焦、精确对焦和重复对焦过程在本文第部分将
号可由光栅测量出，且显微镜与工件表面相对 位置始终不变，因此所测的点相对位置就可确 定。若把工件表面上所有点的相对位置测出， 则工件表面的形状就被测出， 其误差也可算出。
３ 光学显微镜自动对焦
图 ４ 是光学显微镜自动对焦的光路图。虚 框内为光学显微镜系统，虚线表示的光路为图 象处理自动对焦光路，经 ＣＣＤ 摄像机转成图像 信号；实线表示的光路为偏心光束自动对焦光 路系统，经光电探测器转成电信号， 偏心光束 自动对焦的原理如图 ４。
138
械系统的结构如图 ２ 所示）用于驱动 ＣＣＤ 摄像 机、 光电探测器与显微镜上下移动，光栅定位测 控系统用于确定 ＣＣＤ 摄像机与显微镜的相对位 置，同时把 ＣＣＤ 摄像机与显微镜当前位置的信 息反馈到对焦控制系统，并受对焦控制系统的 控制。ＣＣＤ 摄像机与显微镜是用于对工件表面 上某点摄像，其输出是一个图像信号，经过处
的检测系统如图 ２ 所示，一个可在 ｚ 方向移动 的工作台，在该工作台上固定有光栅和光学显 微镜：光学显微镜用于定位，使移动工作台与 显微镜与工件表面在 ｚ 方向的相对位置保持不 变，即采用自动对焦技术使光学显微镜与工件 表面在 ｚ 方向距离始终为其物镜的焦距；光栅 用于测量移动工作台在 ｚ 方向的位移。检测系 统沿 ｘ 方向测量轨迹 ＯＯ’在工件表面扫描；在 扫描过程中，用光栅传感器进行数据采集，计 算机对这些数据进行误差分析，将分析结果用 于补偿砂轮加工。这种方法操作简单，能满足 半精磨， 精磨加工后工件表面误差测量的要求。
图 ３ 自动对焦光栅测量系统结构示意图
X =K
做详细说明。由于显微镜的焦距不变，显微镜 与工件表面距离始终在 z 方向为一个焦距，显 微镜的相对于工件表面的在 z 方向位置由光栅 测量定位系统确定，在测量时，测量系统在 x ，
y 方向扫描，由于显微镜位置在 z 方向变化信
2 sh （１） f