激光扫描测微仪

1、激光扫描测微仪 姓名：小头爸爸姓名：小头爸爸 学号：学号：2011201120112011激光扫描测微仪简介激光扫描尺寸测量是激光扫描尺寸测量是 1972 1972 年年 Zygo Zygo 公司发展公司发展起来的起来的一种技术，随着科一种技术，随着科学技术的提高，激光扫描测量学技术的提高，激光扫描测量技术技术也也得到了长足的得到了长足的发展。发展。是一种典型的光电检测技术，具有是一种典型的光电检测技术，具有精度高、速度快、不接触、自动化精度高、速度快、不接触、自动化程度高等优点。程度高等优点。主要应用激光扫描测微仪适用于直径、间缝和位置等多种尺寸测量场合，特别激光扫描测微仪适用于直径、间缝和

2、位置等多种尺寸测量场合，特别是是适用于适用于对热、辐射和易脆物体的测量和生产线上在线尺寸测量与控对热、辐射和易脆物体的测量和生产线上在线尺寸测量与控制制应用。应用。在实际应用中，以线缆生产应用较多，例如漆包线、光纤生产和电缆在实际应用中，以线缆生产应用较多，例如漆包线、光纤生产和电缆外外皮涂敷皮涂敷，还可用于轴类零件的测量与筛选等质量控制中。，还可用于轴类零件的测量与筛选等质量控制中。测外径测外径和距离测宽度测边界位置激光扫描测微激光扫描测微仪可以在各种仪可以在各种加工噪声中工加工噪声中工作；能适应实作；能适应实时的数据处理时的数据处理与对加工进行与对加工进行主动控制。主动控制。基本原理基本原

3、理利用激光束的方向性和高能量密度的特点，利用激光束的方向性和高能量密度的特点，通过通过多面转镜光学多面转镜光学扫描系统进行光束扫描，在测量区域形成扫描系统进行光束扫描，在测量区域形成“光幕光幕”，被测物体，被测物体在在“光幕光幕”中遮挡光线产生中遮挡光线产生“阴影阴影”，通过对此，通过对此“阴影阴影”的计的计时，就把被测物体时，就把被测物体的空间的空间尺寸或位置转换成电信号的时间序列，尺寸或位置转换成电信号的时间序列，再由扫描再由扫描速度和速度和“阴影阴影”时间时间相乘得到相乘得到被测尺寸。被测尺寸。优点非接触、高精度及快速非接触、高精度及快速响应响应相比于成象相比于成象方法、衍射方法的测量范

4、围大，分辨能力高方法、衍射方法的测量范围大，分辨能力高原理与性能分析多面转镜由扫描电机驱动以恒定角速度旋转，扫描多面转镜由扫描电机驱动以恒定角速度旋转，扫描光束光束经过经过 K-Theta K-Theta 透镜后形成以恒定线速度扫描的透镜后形成以恒定线速度扫描的平行光束。平行光束。这部分是激光这部分是激光扫描扫描测微仪的关键技术之一，它直接决定了测量区域测微仪的关键技术之一，它直接决定了测量区域扫描光束的线速度扫描光束的线速度 v v 的的稳定性稳定性、光束的平行和准直特性，也就决定、光束的平行和准直特性，也就决定了仪器的了仪器的测量精度。测量精度。原理与性能分析扫描电机的速度稳定性、轴向和径

5、向跳动，以及多面转镜的面形扫描电机的速度稳定性、轴向和径向跳动，以及多面转镜的面形误差误差影响扫描光束的线速度影响扫描光束的线速度 v v 的跳动，决定了仪器的重复性和的跳动，决定了仪器的重复性和稳稳定性。定性。K-Theta K-Theta 透镜，将匀角速度扫描的光束透镜，将匀角速度扫描的光束变换为变换为象方匀线速度扫描象方匀线速度扫描的平行光束，它不但影响扫描线速度的平行光束，它不但影响扫描线速度 v v 随垂直位置变化随垂直位置变化而变化而变化的的特性，决定仪器的线性指标，而且还影响扫描光束的平行和准直特性，决定仪器的线性指标，而且还影响扫描光束的平行和准直特性特性，决定，决定仪器的水平

6、测量有效范围仪器的水平测量有效范围指标。指标。光学系统分析激光扫描测微仪系统图激光扫描测微仪系统图l 激光扫描测微仪的光学扫描系激光扫描测微仪的光学扫描系统由激光器系统、多面转镜和统由激光器系统、多面转镜和 K-Theta K-Theta 透镜组成透镜组成l 半导体激光器作为系统光源为半导体激光器作为系统光源为仪器提供光强稳定的准直细光仪器提供光强稳定的准直细光束束l 多面转镜由扫描电机驱动以恒多面转镜由扫描电机驱动以恒定的角速度旋转定的角速度旋转l K-Theta K-Theta 透镜将匀角速度扫描的透镜将匀角速度扫描的光束变换成匀线速度扫描的平光束变换成匀线速度扫描的平行光束行光束光学扫描

7、系统激光扫描测微仪光学扫描系统示意图激光扫描测微仪光学扫描系统示意图测量频率和扫描速度都是衡量仪器动态性能的关键指标，扫描测量频率和扫描速度都是衡量仪器动态性能的关键指标，扫描速度越速度越高，高，系统对测量环境和被测物体的振动越不敏感。系统对测量环境和被测物体的振动越不敏感。 多面转镜以恒定的角速度旋转，多面转镜由 N 个镜面组成，电机转速为 n(rpm)扫描频率扫描频率转转镜的镜的角速度角速度光束的扫描光束的扫描角速度角速度光束的扫描线速度光束的扫描线速度 K-Theta K-Theta 透镜光路透镜光路K-Theta 透镜分析K-Theta 透镜分析K-Theta K-Theta 透镜是为

8、激光扫描尺寸测量应用而专门设计的透镜是为激光扫描尺寸测量应用而专门设计的透镜，透镜，K-Theta K-Theta 透镜克服了常规聚焦透镜、照相透镜克服了常规聚焦透镜、照相透镜透镜和和 F-ThetaF-Theta透镜透镜的若干不合适的的若干不合适的缺点。缺点。 有一个外部的孔径光栏，并置于有一个外部的孔径光栏，并置于物镜物镜的前焦点，构成象方远心系统，的前焦点，构成象方远心系统，有利于缩小扫描器尺寸和改进其有利于缩小扫描器尺寸和改进其动态特性。动态特性。扫描高度扫描高度 H H 与扫描角度与扫描角度 和透镜和透镜焦距焦距 f f 的乘积的乘积成正比，这种特性成成正比，这种特性成为为 K-Th

9、eta K-Theta 特性特性 K-Theta K-Theta 特性使经过一个具有恒定角特性使经过一个具有恒定角速度速度 扫描器反射的光线，经透镜后扫描器反射的光线，经透镜后有一个均匀线性的速度有一个均匀线性的速度 1 1 为正常畸变校正透镜；为正常畸变校正透镜；2 2 为为 K-Theta K-Theta 透镜；透镜；3 3 为为 F-Theta F-Theta 透镜；透镜；4 4 为傅立叶透镜。为傅立叶透镜。K 透镜结构形式K K 透镜的光路透镜的光路如前图所如前图所示，它是具有一定的扫描视场的小相对孔径示，它是具有一定的扫描视场的小相对孔径的象的象方远心方远心系统。系统。K K 透镜实

10、质上是一种消除光栏透镜实质上是一种消除光栏球差同时球差同时具有一定光栏慧差的透镜。如果把原具有一定光栏慧差的透镜。如果把原光栏看成物面，把物面看成光栏，光栏看成物面，把物面看成光栏，则它则它就是普通的消除球差但同时具有一定慧就是普通的消除球差但同时具有一定慧差，即偏离正弦条件的透镜差，即偏离正弦条件的透镜。选择双分离的结构形式，引入必要的光栏慧差并使双分离的正负透镜的间隔分选择双分离的结构形式，引入必要的光栏慧差并使双分离的正负透镜的间隔分离加大，并正确地控制离加大，并正确地控制r2， r3值，这样就可以达到我们的使用要求。值，这样就可以达到我们的使用要求。 误差来源对准对准误差：测量外径时，

11、扫描线和圆柱表面不误差：测量外径时，扫描线和圆柱表面不垂直垂直 运动误差运动误差：物体进行运动测量：物体进行运动测量时时，一运动，一运动分量和扫描方向分量和扫描方向一致一致引入的引入的误差误差 激光漂移：光斑激光漂移：光斑形状、光束方向变化、振幅噪声形状、光束方向变化、振幅噪声。 机械机械误差：误差： 如应力、振动等如应力、振动等。误差来源电子部电子部件件误差：时钟误差：时钟精度和信号处理电路的误差等精度和信号处理电路的误差等 光学光学扫描系统误差：扫描系统误差：K-Theta K-Theta 透镜的不理想，扫描电机的速度稳定性透镜的不理想，扫描电机的速度稳定性和跳动，多面转镜几何误差和跳动，

12、多面转镜几何误差以上以上所列的误差源中，对仪器测量影响最大的就是光学扫描所列的误差源中，对仪器测量影响最大的就是光学扫描系统误差，系统误差，其中其中 K-Theta K-Theta 透镜不理想导致的非线性误差是主要透镜不理想导致的非线性误差是主要误差。误差。发展方向 激光激光光源：早期一光源：早期一般般用的是用的是 He-Ne He-Ne 激光器激光器，体积较大不易集成。半，体积较大不易集成。半导体激光器技术发展，体积可以大大缩小。导体激光器技术发展，体积可以大大缩小。 扫描电机：早期使用同步电机，而随微电子与控制技术的进步，现扫描电机：早期使用同步电机，而随微电子与控制技术的进步，现在的扫描电机多用无刷直流电机在的扫描电机多用无刷直流电机，采用，采用锁相环控制，电机寿命长，锁相环控制，电机寿命长，体积小，控制精度高。体积小，控制精度高。发展发展方向方向 光学光学系统：光学材料和光学加工工艺和技术的系统：光学材