激光加工技術(shù)已成為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)，其擁有普通加工技術(shù)所不能比擬的優(yōu)勢。例如激光加工為非接觸式加工、速度快、無(wú)噪聲、可實(shí)現各種復雜形狀的高精度加工目的，且無(wú)通常意義上的“刀具”磨損，無(wú)需更換“刀頭”。
激光加工需要個(gè)優(yōu)良的成像系統，用來(lái)輔助加工、測量、檢測，而調焦系統作為光電成像系統、機器視覺(jué)系統的關(guān)鍵裝置，在監控生產(chǎn)過(guò)程、檢測工況、地質(zhì)遙感和軍事遙感等等方面都應用廣泛。無(wú)論哪個(gè)成像系統，都會(huì )遇到對焦的問(wèn)題，如果僅依靠操作人員的主觀(guān)判斷來(lái)完成成像系統的調焦，很容易帶來(lái)定的人為誤差，而且自動(dòng)化程度低。
所謂自動(dòng)對焦是指利用物體光反射的原理，將反射的光被結構上的傳感器接受，通過(guò)計算機處理，帶動(dòng)電動(dòng)對焦裝置進(jìn)行對焦的方式叫自動(dòng)對焦。隨著(zhù)激光加工的迅速發(fā)展，自動(dòng)對焦平臺受到人們的廣泛關(guān)注，并且，有些學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始研究大行程自動(dòng)對焦平臺。
由廣東工業(yè)大學(xué)發(fā)明的利基于多平臺的超精密自動(dòng)對焦系統，采用激光自動(dòng)對焦系統與傳感器相結合，在Z方向上有大行程精密調節機構，調節范圍是100μm，重復定位精度是6nm，它是基于電子、機械裝置以及圖像處理等手段設計的自動(dòng)對焦的裝置，可實(shí)現快速對焦，但是程序繁瑣。李光儀器廠(chǎng)改造的顯微鏡平臺，其控制系統能實(shí)現載物臺的三維驅動(dòng)，但是，平臺不能實(shí)現定位，重復性差，實(shí)際操作不方便，并且未提供自動(dòng)搜索、聚焦功能。南京航空航天大學(xué)在NHIS金相圖像自動(dòng)分析系統中采用步進(jìn)電機控制載物臺，提出并實(shí)現了灰度直方圖梯度自動(dòng)聚焦算法。清華大學(xué)等單位研制的線(xiàn)寬測量?jì)x，在顯微系統的設計上采用了偏心光束法，其調焦范圍為10μm，調焦精度達到了1.9nm。
與已有技術(shù)相比，該平臺的光學(xué)對焦理論以激光三角法為基礎，這是典型的非接觸式測量，不需要計算機的對比計算，這也是該機構精度大、誤差小的原因之。在驅動(dòng)方式上采用雙聯(lián)驅動(dòng)方案，就是將兩種或者兩種以上的驅動(dòng)方案同時(shí)使用，并對他們進(jìn)行相應的并聯(lián)控制。這樣可以使平臺具有較大的行程與很高的精度。
1整體結構的設計
該平臺由動(dòng)力元件、傳動(dòng)元件、對焦平臺、光學(xué)元件、平臺支架五部分組成。其中動(dòng)力元件由采用伺服電機系統與微動(dòng)系統的雙聯(lián)控制系統組成，大行程運動(dòng)由伺服電機驅動(dòng)，微細運動(dòng)是由壓電陶瓷與柔性鉸鏈構成，傳動(dòng)元件由滾珠絲杠系統構成，光學(xué)元件是指激光發(fā)射及接收的鏡頭組，在鏡頭組中有兩個(gè)透鏡和個(gè)激光發(fā)射器，支架是包括支撐桿在內的外部結構框架。如圖1所示是平臺的整體結構圖。
其對焦工作原理是:當工作臺的位置恰好在激光焦點(diǎn)處，則平臺不動(dòng)，如果平臺不在焦點(diǎn)位置時(shí)，這時(shí)電機在傳感器驅動(dòng)下帶動(dòng)滾珠絲杠轉動(dòng)，從而帶動(dòng)平臺上下移動(dòng)，當平臺在焦點(diǎn)附近細小距離時(shí)，壓電陶瓷開(kāi)始利用逆壓電應驅動(dòng)平臺微量位移，每次對焦完成后，光學(xué)鏡頭組接收到的光信號通過(guò)傳感器傳遞給報警器，引起報警。
1.1微位移運動(dòng)機構的設計
常規電機驅動(dòng)對焦時(shí)電機轉動(dòng)時(shí)存在震動(dòng)，硬件驅動(dòng)鏡頭移動(dòng)時(shí)，存在延時(shí)，很難滿(mǎn)足精密對焦的要求。該平臺結構使用壓電或電致伸縮器件驅動(dòng)，由于機電應進(jìn)行的速度很快，來(lái)不及與外界熱交換，因此不存在發(fā)熱問(wèn)題，同時(shí)沒(méi)有噪聲，適用于各種介質(zhì)環(huán)境工作，是種理想的微位移器。
微位移機構是指行程小(般小于毫米)、靈敏度高和精度高的機構，是微定位系統的核心部分，也是該平臺機構的重要組成部分之。它由微位移驅動(dòng)器和執行器兩部分組成。微位移機構由壓電陶瓷和柔性鉸鏈連接構成。微位移驅動(dòng)器根據工作原理可以分為六大類(lèi)，概括為:機械傳動(dòng)、彈性變形、受熱變形、磁致伸縮、電磁型、壓電陶瓷。壓電/電致伸縮陶瓷驅動(dòng)的柔性支承微位移機構是利用某些晶體的逆壓電應來(lái)工作的，它的點(diǎn)是體積很小，結構緊湊，無(wú)間隙，無(wú)機械摩擦，具有很高的位移分辨率。常用的微位移器有如圖2所示為壓電陶瓷和柔性鉸鏈的連接圖，圖3為壓電陶瓷與柔性鉸鏈連接的力學(xué)模型。
1.2支撐機構的設計
傳統的主傳動(dòng)軸的支撐是由傳統的軸承構成，如推力軸承(主傳動(dòng)軸豎直時(shí))，角接觸球軸承(主傳動(dòng)軸水平時(shí))，這些傳統的軸承性能在工作條件優(yōu)良時(shí)比較穩定，但是在受力不均時(shí)性能不穩定，由于在周期性不均勻載荷作用下，軸承磨損劇烈，壽命短，需要經(jīng)常更換。該機構中采用交叉滾子軸承，其優(yōu)點(diǎn)很多，由于滾柱為交叉排列，因此只用套交叉滾柱軸環(huán)就可承受各個(gè)方向的負荷，與傳統型號相比，剛性提高3～4倍。同時(shí)，因交叉滾子軸承內圈或外圈是兩分割的構造，軸承間隙可調整，即使被施加預載，也能獲得高精度的旋轉運動(dòng)。圖4是交叉滾子軸承的內部結構圖。
1.3自動(dòng)對焦系統及其工作原理
常規的激光對焦方法包括燒斑法、紅外攝像法、小孔成像法。但這些方法精度不夠高，容易產(chǎn)生誤對焦，且率低，很難滿(mǎn)足快速高精度的要求。激光三角法作為目前種非常重要的非接觸式測量方法，廣泛運用于物體位移、厚度和三維面形等方面的測量。
并且能夠避免硬件驅動(dòng)的延時(shí)應。
圖 5 斜光學(xué)入射法
對焦方法部分引用利基于多平臺的超精密對焦系統的原理，如圖5所示為激光斜三角入射法原理圖。在斜光學(xué)入射法中，入射光線(xiàn)與被測物體表面法線(xiàn)成夾角θ。激光光束沿平行于透鏡L的方向入射到具有定粗糙度的M平面上(即在加工時(shí)的工件表面)的點(diǎn)A，由被測物面漫反射后，不再有確定的方向，經(jīng)過(guò)接收透鏡L會(huì )聚后將光點(diǎn)A成像在平行于透鏡的維PSD面上的點(diǎn)A'。通過(guò)透鏡成像可以準確地計算出光點(diǎn)的位置。假設光束i與透鏡的主光軸相交于位于M平面上的點(diǎn)O，稱(chēng)M平面為零參考平面，點(diǎn)O在像屏上的像點(diǎn)是點(diǎn)O'。根據三角形相似原理，可以從點(diǎn)O'與點(diǎn)A'的位移計算出物體上點(diǎn)A相對于零參考平面M的位移量。
圖 6 激光發(fā)射接收鏡頭組
光學(xué)鏡頭組如圖 6 所示， 就是應用光學(xué)三角法的成像反射， 工作原理是: 從激光發(fā)射器 1 發(fā)射出來(lái)的800 nm
光束經(jīng)過(guò)遮光片 2 擋去了半， 剩下的光束在聚焦鏡 4 的作用下變?yōu)槠叫泄猓?通過(guò)主光軸后經(jīng)過(guò)半透鏡 5
的反射投射到被檢測的物體表面。通過(guò)物鏡的聚焦作用，如果系統對焦完成，激光剛好在被測物體表面聚焦。聚焦后的光束，在被測物體的表面發(fā)生了反射，反射光線(xiàn)經(jīng)過(guò)聚焦鏡的聚焦作用投射到CCD檢測屏3上，如果被檢測物體表面剛好處于聚焦點(diǎn)處，投影在CCD檢測屏上的就是個(gè)光點(diǎn);如果被檢測物體處于聚焦點(diǎn)的上方，在檢測屏就會(huì )檢測到個(gè)右半圓的光斑，反之出現個(gè)左半圓的光斑。
對焦系統運用光學(xué)三角對焦原理，在顯微鏡的鏡筒側面增加了個(gè)包含有激光發(fā)射和激光接受裝置的光學(xué)回路。聚焦后的光束，在被測物體的表面發(fā)生了反射，反射光線(xiàn)經(jīng)過(guò)聚焦鏡的聚焦作用投射到CCD檢測屏上，如果被檢測物體表面剛好處于聚焦點(diǎn)處，投影在CCD檢測屏上的就是個(gè)光點(diǎn);如果被檢測物體處于聚焦點(diǎn)的上方，在檢測屏就會(huì )檢測到個(gè)右半圓的光斑，反之出現個(gè)左半圓的光斑。
假設可見(jiàn)光獲得清晰的圖像時(shí)，激光剛好在被檢測物體表面聚焦，如果系統發(fā)生離焦，CCD檢測到個(gè)半圓的光斑，其中離焦量和光斑的直徑大小成線(xiàn)性關(guān)系。系統上離焦時(shí)，產(chǎn)生上半圓;當下離焦時(shí)，產(chǎn)生下半圓。系統的聚焦原理是通過(guò)檢測投射到CCD傳感器形成個(gè)半圓狀的光斑，系統通過(guò)檢測的是上半圓還是下半圓可以辨別對焦系統處于上離焦還是下離焦。通過(guò)光電傳感器的3個(gè)LED燈分別代表光斑所在的位置，如圖7所示。
圖 7 光斑上下離焦和聚焦成像原理
該平臺屬精密儀器使用時(shí)無(wú)噪聲，為防止誤傷，平臺上設有蜂鳴報警器和LED提示燈，如圖8。當對焦系統處于上下離焦狀態(tài)時(shí)，受傳感器作用，對應的LED燈綠色燈閃爍，蜂鳴器直鳴叫;當對焦系統恰好位于或者經(jīng)過(guò)對焦后調節到焦點(diǎn)位置時(shí)，LED燈綠色燈熄滅，同時(shí)紅色
燈開(kāi)始閃爍，蜂鳴器提示音變成脈沖間斷的，頻率和LED燈的頻率相同。
圖 8 焦點(diǎn)位置指示燈
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，高精度/高速度的微進(jìn)給技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于生物科技、精密儀器制造、工業(yè)在線(xiàn)檢測、航空航天、自動(dòng)加工生產(chǎn)等域。自動(dòng)對焦技術(shù)是各種成像系統、計算機機器視覺(jué)和精密儀器中的關(guān)鍵技術(shù)之。
文中提出了種大行程高精度精密對焦平臺，設計了工作平臺的整個(gè)機構系統，闡述了對焦平臺的行程和精度的設計，給出了自動(dòng)對焦的實(shí)現過(guò)程，確定了采用三角法作為大行程納米精密對焦系統的設計基礎。在這基礎上綜合運用壓電陶瓷的逆壓電應，作為微位移驅動(dòng)器，實(shí)現大行程自動(dòng)精密對焦，該平臺結構的設計為自動(dòng)對焦技術(shù)提供種大行程的可行方案。
