[发明专利]基于半导体激光器组件的四自由度光学测头

说明书

技术领域

本发明属于光学非接触的微角度测量技术领域，具体涉及一种基于半导体激光器组件的四自由度光学测头装置。

背景技术

微小位移和微小角度测量是几何测量中的重要组成部分，在精密加工、微机电系统、在线检测、军事、航空航海以及通讯等许多领域都具有极其重要的作用；而测头是测量这些物理量的关键部件之一。精密测头分为接触式和非接触式两种，而非接触式光学测头由于具有非接触、无损坏、高精确度和高灵敏度的特点而备受人们的重视，并得到越来越多的关注和发展。

最常用的多自由度实时监测系统采用的是激光干涉仪，如HP5529A动态校正装置、Renishaw及Zygo激光测量系统，测量精度较高，但是其安装一次仅测量一项误差，检测过程繁琐而漫长；日本NihouUniversity和SophiaUniversity研究人员研究了同时测量机床工作台多自由度误差的光学测量系统，但是其测量头体积大，需要安装于活动平台上，使应用范围受到限制，且价格昂贵，不利于推广；台湾宇航研究所研究的位置姿态测量系统基于面阵CCD原理，可以获得被测物表面特征点的位置姿态信息，其系统结构及硬件控制非常复杂，增加了安装和调整难度；现在市面上已有销售的是API公司的多自由度激光干涉仪，但是其价格及其昂贵，若广泛推广成本太高；随着半导体激光器的广泛应用，浙江大学提出了一种基于激光自准直的二维微角度测量装置，利用半导体激光器和四象限探测器实现了二维角度的精确测量，但是其只能测量二维角度误差，实际应用有限；随后合肥工业大学的卢荣胜教授研制了一种基于廉价的DVD激光头的自动聚焦探头，用于法向位移和二维角度的测量，基本达到了体积小，价格低的特点，但是其能测量的量仍然不多，仅能实现三个自由度的误差测量。因此开发体积小、精度高、易安装、成本低的非接触式多自由度测量装置以适应在线实时测量的要求十分必要。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于半导体激光器组件的四自由度光学测头装置。

基于半导体激光器组件的四自由度光学测头包括测头机构和靶镜机构。

所述测头机构包括设于底板一侧面上的半导体激光器1、四象限光电探测器4、二维PSD位置敏感探测器5、光隔离器和平凸透镜6；

所述靶镜机构包括设于基座上的半透半反镜7和角锥棱镜8；

用于数控机床主轴热误差测量时，所述测头机构固定设于工作台上，所述靶镜机构固定设于动力头的主轴上；

测量时，半导体激光器1发出的光束经过偏振分光棱镜2后分为两束，其中一束光经过光隔离器照射在靶镜机构的半透半反镜7上，有50％的光会透过半透半反镜7到达角锥棱镜8，经角锥棱镜8折射后平行出射入射到四象限光电探测器4上，用作测量二维直线直线位移X、Y的参考光束；50％的光会由半透半反镜7原路返回，入射到偏振分光棱镜2上，再垂直出射到平凸透镜6经准直聚焦后被二维PSD位置敏感探测器5所接受，用作俯仰角误差、偏摆角误差的参考光束。

本发明进一步限定的技术方案如下：

所述底板为矩形；所述四象限光电探测器4、半导体激光器1、光隔离器依次设于底板一端的同一宽度方向上，所述二维PSD位置敏感探测器5与光隔离器对应设于底板的另一端，所述平凸透镜6设于光隔离器和二维PSD位置敏感探测器5之间的底板上；

所述四象限光电探测器4模块和半导体激光器1之间的直线距离为10mm；

所述半导体激光器1和光隔离器之间距离为30mm；

所述光隔离器和平凸透镜6之间的距离为50mm；

所述光隔离器和二维PSD位置敏感探测器5之间的距离为平凸透镜的焦距长度。

所述平凸透镜的焦距为100mm。

所述光隔离器由偏振分光棱镜2和四分之一波片3胶合在一起组成，其中偏振分光棱镜2与半导体激光器1相邻，防止反射光返回到半导体激光器1，从而得到稳定的输出。

所述二维PSD光电转换器5的两侧分别设有导轨和定位机构，二维PSD光电转换器5沿导轨移动实现调整相对偏振分光棱镜2之间的距离。

所述半透半反镜7和角锥棱镜8中，半透半反镜7置于角锥棱镜8正前方，二者之间的距离为5mm，并且保证半透半反镜7只遮挡角锥棱镜8的边缘一部分，确保半透半反镜7的出射光入射到角锥棱镜8里，而角锥棱镜8的出射光不会被半透半反镜7遮挡。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：