光学传感式三维高精度接触扫描测量探头

摘要

本发明公开了一种光学传感式三维高精度接触扫描测量探头，其特征是测头单元是在圆环座的中央设置十字悬浮片，十字悬浮片的各悬臂端固定连接对应位置上的“V”型悬臂簧片的顶端，“V”型悬臂簧片的两个底端固定连接在圆环座上，形成十字悬浮片在圆环座中的悬浮结构；在十字悬浮片的上表面、处在十字悬浮片的中央固定设置楔形块，在楔形块的顶面粘结有NPBS，在楔形块的底面镀有反射层，在十字悬浮片的下表面、处在十字悬浮片的中央固定连接带有测球的探针；测量单元是以激光器发射准直光投射至NPBS，利用四象限探测器检测获得Z轴、Y轴和X轴向的位移量。本发明能获得较高的测量精度，其灵敏度高、测力小，装调方便。

说明书

技术领域

本发明涉及微纳米测试领域，更具体的说是一种应用在纳米三坐标测量机上的接触扫描 式三维探头，可以感测物体表面的三维形貌。

背景技术

近年来，微电子技术的快速发展引发了一场微小型化的革命，尤其是微机电系统MEMS 器件的加工技术的发展，出现了各种微纳米级的微小器件，如微齿轮、微型孔，微型喷嘴， 微型台阶等MEMS产品。这些微器件的加工精度处于微纳米量级，要对这些微器件进行精密 测量，就要发展特殊的高精度检测方法与技术手段。为此各国相关机构都致力于研究具有纳 米级精度的三坐标测量机。

三坐标测量机的探头部分是三坐标测量机的核心部件之一，探头的测量精度决定三坐标 测量机的总体测量精度。探头有接触式和非接触式之分，接触式探头可以用来测量非接触式 探头所不能测量的具有斜面、台阶、深孔、圆弧等特征的工件。

现有技术中的接触式探头主要有：原子力探头、电容式探头、光纤探头、DVD探头、微 触觉探头、共焦式探头等。现有探头需要集成二至四个高精度传感器，存在着结构复杂、装 调难度大、成本高的问题。比如荷兰Eindhoven大学开发的基于应变计的三维微接触式传感 测头，是将应变计、电路以及弹性元件通过沉淀、制版、刻蚀等工艺后共同制作成整体结构， 测头各个方向的力和位移的变化通过装在敏感粱上的应变计进行检测，其体积较小，但应变 片的检测灵敏度和精度都比较低，并且其测头采用三角形拓扑结构，解耦复杂。瑞士联邦计 量检定局METAS开发的电磁式微接触式测头，测头具有三个方向的自由度，每个方向的检测 都采用电感来实现，三个方向的测力相同，结构主要由铝制成，电磁式测头的测量范围较大， 横向检测灵敏度较高且接触力较小，但其结构相当复杂、装调困难，且采用三角形悬挂结构， 解耦复杂。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种光学传感式三维高精度接触 扫描测量探头，以期获得高精度、高灵敏度和小测力的探测效果，同时具备高稳定性和调试 方便的优势。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明光学传感式三维高精度接触扫描测量探头的结构特点是其包括：

一测头单元，是在圆环座的中央设置十字悬浮片，所述十字悬浮片的各悬臂端固定连接 对应位置上的“V”型悬臂簧片的顶端，所述“V”型悬臂簧片的两个底端固定连接在圆环座 上，形成十字悬浮片在圆环座中的悬浮结构；在所述十字悬浮片的上表面、处在十字悬浮片 的中央固定设置楔形块，在所述楔形块的顶面粘结有NPBS，在所述楔形块的底面镀有反射 层，在所述十字悬浮片的下表面、处在十字悬浮片的中央固定连接带有测球的探针；

一测量单元，设置所述测量单元的光路结构为：激光器发射出的准直光投射至NPBS的 顶面，所述准直光在NPBS中形成的反射光作为第一光束投射至第一四象限探测器，以所 述第一四象限探测器测量楔形块和NPBS沿水平X轴方向的位移；所述准直光在NPBS中形 成的透射光经楔形块投射至楔形块的底面的反射层，在所述反射层上形成的反射光作为第二 光束，所述第二光束投射至NPBS的底面，所述第二束光在NPBS中形成的反射光作为第三 束光投射到第二四象限探测器，以所述第二四象限探测器测量楔形块和NPBS沿Z轴方向的 位移；所述第二束光在NPBS中形成的透射光投射至第三四象限探测器，以所述第三四象限 探测器测量楔形块和NPBS沿Y轴方向的位移，所述Z轴为竖直方向的轴，所述Y轴和X 轴为水平方向的轴。

本发明光学传感式三维高精度接触扫描测量探头的结构特点也在于：设置所述测量探头 的基座为圆筒体，在所述圆筒体中分布有各空腔，所述各空腔分别是：处在圆筒体上段的第 一腔、处在圆筒体下段的第三腔，以及处在第一腔和第三腔之间的第二腔；用于安装激光器 的激光器固定座设置在所述第一腔中；所述第三四象限探测器安装在所述第二腔中；第一四 象限探测器、第二四象限探测器以及NPBS安装在所述第三腔中，并且所述第一四象限探测 器和第二四象限探测器分处在所述NPBS的一左一右；测头单元中的圆环座固定设置在所述 圆筒体的底部端口上。

本发明光学传感式三维高精度接触扫描测量探头的结构特点也在于：所述第二空腔设置 为台阶孔，所述第三四象限探测器嵌装在所述台阶台中获得限位；在所述三四象限探测器的 顶部放置楔形填充块，所述楔形填充块的顶面与第一腔的底板上表面平齐，激光器固定座固 定设置在第一腔的底面，利用所述激光器固定座对所述楔形填充块在顶面形成抵压，阻止所 述第三四象限探测器向上移动。

本发明光学传感式三维高精度接触扫描测量探头的结构特点也在于：所述第一四象限探 测器和第二四象限探测器固定安装在固定耳上的固定孔中，所述固定耳固定悬挂在所述第一 腔的底板下表面。

本发明光学传感式三维高精度接触扫描测量探头的结构特点也在于：所述“V”型悬臂 簧片是以铍青铜簧片为材质。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明采用光学传感器进行感测，较之应变式、压阻式和电感式传感器可以获得更 高的灵敏度和精度。

2、本发明用三个光学传感器分别感测测球在X轴、Y轴和Z轴方向上的位移变化，测 量过程极其方便。

3、本发明中三个四象限探测器共用一个激光器，在有效节约探头空间和成本的前提下 实现了三维扫描测量。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2为本发明测头单元及测量单元结构示意图；

图3为本发明结构分解示意图；

图4为本发明中测头单元外部结构示意图；

图5为本发明中测头单元内部结构示意图；

图6、图7、图8、图9、图10和图11为本发明工作原理示意图；

具体实施方式

本实施例中的光学传感式三维高精度接触扫描测量探头的结构设置为：

参见图2、图4和图5，测头单元7是在圆环座7a的中央设置十字悬浮片7b，十字悬浮 片7b的各悬臂端固定连接对应位置上的“V”型悬臂簧片7c的顶端，“V”型悬臂簧片7c 的两个底端固定连接在圆环座7a上，形成十字悬浮片7b在圆环座7a中的悬浮结构；在十字 悬浮片7b的上表面、处在十字悬浮片7b的中央固定设置楔形块8，在楔形块8的顶面粘结 有NPBS6，在楔形块8的底面镀有反射层，在十字悬浮片7b的下表面、处在十字悬浮片7b 的中央固定连接带有测球7e的探针7d。

参见图2，本实施例中测量单元的光路结构为：激光器10发射出的准直光投射至NPBS6 的顶面，准直光在NPBS6中形成的反射光作为第一光束投射至第一四象限探测器9a，以第 一四象限探测器9a测量楔形块8和NPBS6沿水平X轴方向的位移；准直光在NPBS6中形 成的透射光经楔形块8投射至楔形块8的底面的反射层，在反射层上形成的反射光作为第二 光束，第二光束投射至NPBS6的底面，第二束光在NPBS6中形成的反射光作为第三束光投 射到第二四象限探测器9b，以第二四象限探测器9b测量楔形块8和NPBS6沿Z轴方向的位 移；第二束光在NPBS6中形成的透射光投射至第三四象限探测器9c，以第三四象限探测器 9c测量楔形块8和NPBS6沿Y轴方向的位移，Z轴为竖直方向的轴，Y轴和X轴为水平方 向的轴。

本实施例中NPBS为非偏振分光棱镜，与之相应有：PBS为偏振分光棱镜，PBS可以按 照光波的不同振动方向将光波分为沿竖直方向振动的p光，以及沿水平方向振动的o光，而 本实施例中涉及的NPBS只能将一束光按照等光强的原则均匀的分成两束。

参见图1和图3，本实施例中设置测量探头的基座为圆筒体1a，圆筒体1a的底部端口为 敞口，在圆筒体1a的顶部设置有顶部，在圆筒体1a中分布有各空腔，各空腔分别是：处在 圆筒体1a上段的第一腔1b、处在圆筒体1a下段的第三腔1d，以及处在第一腔1b和第三腔 1d之间的第二腔1c；用于安装激光器10的激光器固定座3设置在第一腔1b中；第三四象限 探测器9c安装在第二腔1c中；第一四象限探测器9a、第二四象限探测器9b以及NPBS6 安装在第三腔1d中，并且第一四象限探测器9a和第二四象限探测器9b分处在NPBS6的一 左一右；测头单元7中的圆环座7a固定设置在圆筒体1a的底部端口上。

具体实施中，为便于装配，第二空腔1c设置为台阶孔，第三四象限探测器9c嵌装在台 阶台中获得限位；在三四象限探测器9c的顶部放置楔形填充块4，楔形填充块4的顶面与第 一腔1b的底板上表面平齐，激光器固定座3固定设置在第一腔1b的底面，利用激光器固定 座3对楔形填充块4在顶面形成抵压，阻止第三四象限探测器9c向上移动；第一四象限探测 器9a和第二四象限探测器9b固定安装在固定耳5上的固定孔中，固定耳5固定悬挂在第一 腔1b的底板下表面。

当探针7d在水平X轴方向受到触碰，由第一四象限探测器9a测得楔形块8和NPBS6 的位移量，如图10和图11所示；当探针7d在Z轴方向受到触碰，由第二四象限探测器9b 测得楔形块8和NPBS6的位移值，如图6和图7所示；当探针7d在Y轴方向受到触碰， 由第三四象限探测器9c测得楔形块8和NPBS6的位移值，如图8和图9所示。

纳米三维接触扫描式测量探头属于接触式探头，在感测物体表面三维形貌的同时，要 保持物体表面不受到破坏，因此需要高灵敏度的力学机构。本实施例中的弹性元件采用以铍 青铜簧片为材质的“V”型悬臂簧片7c，当探针7d的前端测球7e因接触物体而受力时，“V” 型铍青铜弹性簧片发生变形，导致测量中央楔形块8和NPBS6发生位移，位移量由各四象 限探测器进行感测。

本实施例中楔形块8在Z轴方向、Y轴方向以及X轴方向上的位移分别对应第二四象限 探测器9b、第三四象限探测器9c和第一四象限探测器9a上光点形状和位置的变化，进而导 致第二四象限探测器9b、第三四象限探测器9c和第一四象限探测器9a的输出的电流信号大 小的变化，通过电流/电压转换电路将A、B、C和D四个象限的输出电流信号转换为电压信 号，分别记为V_A、V_B、V_C和V_D，由式(a)和式(b)将各四象限探测器上光点的形状和位置的 变化转化成两路电压信号输出，两路电压信号与楔形块8和NPBS6的水平方向位移和竖直 方向位移相对应，并且在一定范围内呈线性关系，从而实现对测球位移的测量。

S₁＝K[(V_A+V_B)-(V_C+V_D)](a)

S₂＝K[(V_A+V_D)-(V_B+V_C)](b)

式(a)和式(b)中，S₁和S₂分别为测球在同一平面内两个相互垂直方向的位移，包括X轴向和 Y轴向两个相互垂直方向的位移、X轴向和Z轴向两个相互垂直方向的位移，以及Y轴向和 Z轴向两个相互垂直方向的位移；K为比例系数，比例系数K通过标定的方式获得。