张珂 蒋庆磊
摘 要：在进行微米级测量时，纳米三坐标机常用的接触式探头会损伤软的或脆的待测品。该文研制了一种用蓝光DVD读取头作为传感器的非接触式触发探头。该探头的测量原理是当待测样品位于探头聚焦面时，聚焦误差信号返回值为零。将该探头安装于三维纳米平台上实验，结果显示触发分辨率达1nm，标准差约12nm。
关键词：蓝光DVD读取头 非接触式触发探头 纳米三坐标
中图分类号：TH721 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）05（a）-0069-02
随着产品微型化的发展，对产品质量的要求随着制造工艺的发展而提高。由于待测表面和坐标测量技术并不真正适用于微结构的测量，因此产生了严重的测量问题。在过去的十几年中，一些具有纳米分辨率的中、微尺度零件的微米或纳米坐标测量机已经被开发出来，它们采用的是接触式探头。接触探头虽然具有环境影响小、测量角度大等优点，但也存在着难以克服的缺点，如工件损坏、探头磨损、接触力大、无法测量小空腔等问题。
针对微米/纳米三坐标机，也有很多非接触式探头系统被研发出来了，比如基于聚焦传感器的、共焦、光纤探测器阵列等。然而，基于聚焦的探头通常采用红光激光二极管，难以提高测量精度;基于电容传感器的探头仅适用于电子试样;基于光纤阵列的探头无法达到纳米级精度。该文提出了一种基于蓝光DVD读取头的微米/纳米坐标测量机非接触式触发探头，并介绍其设计原理、结构和实验数据分析。实验结果显示了该探头非接触触发测量的能力。
1 探头结构
该非接触式触发探头由聚焦传感器和用于保持和调整传感器的机械结构组成。
1.1 聚焦传感器
该探头的探测系统采用的聚焦传感器由拆除三洋（BD410）DVD读取头的音圈马达改装的（见图1）。激光二极管发出的激光通过光栅衍射后，通过分光镜和1/4波片、准直透镜和聚焦透镜，最后聚焦到光盘表面。反射光束再经过准直透镜、1/4玻片和分光镜后，通过柱面透镜投射到四象限探测器上。如果被测表面离焦点较近或较远，则光敏二极管上的光束图像在不同方向上会变成椭圆形状。当被测表面处于焦点时，图像变为圆形，根据4个象限的光斑分布，可以获得聚焦误差信号（FES）。经过校正后，FES曲线可以描述出光盘表面轮廓。
1.2 探头结构
为了减少非接触式触发探头的尺寸，用直角棱镜使激光光束转90°用细长管固定聚焦透镜。图2是安装在纳米三坐标机上的非接触式触发探头机械结构示意图。该非接触式触发探头可由柔性机构内的4颗螺钉调节从而使聚焦透镜光轴垂直于反射面。
2 实验设备和结果
实验装置包括运动平台、探头和试验件组成。由Physik生产的重复性为2nm的纳米平台被用作运动平台和位移传感器，镜子作为试验件。FES曲线信号由D/A转换器（NI DAQ卡）传递到个人计算机。实验重复进行了6次，其聚焦误差信号（FES）曲线如图3所示。从图3可以看出FES曲线在1～3μm之间的位置线性度高，相应的电压差是8V，拟合直线的斜率为0.25nm/mV。我们收集了该探头的聚焦误差信号（FES）在2h内噪声数据发现，2h內，噪声小于4mV。因此，我们可以估计该非接触式触发探头的分辨率小于1nm。若将FES为零时的位置设为探头触发点，由表1列出的6次触发数据我们能得到：探头的触发标准偏差小于12nm，该数据验证了该探头的高重复性。
3 结语
该文研究了一种基于商用蓝光DVD读取头的非接触触发探头，并设计制造了其聚焦传感器和机械结构。蓝光激光具有比红光更短的FES距离，从而能获得更好的分辨率。实验结果表明，该非接触式触发探头的分辨率为1nm，标准偏差为12nm。该非接触式触发探头可用于微/纳米三坐标测量仪上，用来测量硬、软材料。此外，这种零触发式传感器可以测量任何由MEMS工艺制成的材料或复合材料。
参考文献
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[2] 高伟，陈晓怀，陈贺.一种基于DVD读取头的非接触触发探头[J].现代显示，2012（12）：35-40.
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