光學測量光學測頭的應用趨勢

　　傳統三坐標測量機配備最多的是觸發式測頭，用觸發式測頭測量物體時，測針以一定速度接觸物體表面，從而使測針的位置產生偏離，產生的電信號觸發測頭記錄一個物體表面測點的空間坐標。由此帶來的第一個問題就是測量速度較慢。其原因在于，首先觸發式測頭的采點方式是非連續的，測頭在一次采點完成后需退回一段距離，讓測針歸位后才能進行第二次采點。而且采點時接觸物體表面的速度不能太快，若測針接觸物體速度過快使得測針的位置偏離過大，則信號會被認為是發生了碰撞而采點失敗。出于這個原因可以用掃描式測頭代替觸發式測頭，掃描式測頭采用的是連續采點方式，因此采點速度得到較大提升。限制測量速度的第二個原因在于，如果被測物體具有比較復雜的幾何形狀，那么測針需要變換若干次指向才能完成整個測量，并且測針的每個指向需進行標定。如果要克服這一不足，從而進一步提高測量速度的話，需要給三坐標測量機配備高端的多軸旋轉掃描測頭，該項新技術能夠以連續方式高速掃描物體進行采點。

　　接觸式測量所用的測針尖端一般為紅寶石球，測頭采點所得的空間坐標為紅寶石球的球心位置。而測針與物體表面的實際接觸位置并非球心，所以物點的坐標必須根據紅寶石球的半徑進行補償。由此帶來了接觸式測量的第二個問題，即紅寶石球的半徑補償方向錯誤。當被測幾何特征較小（直徑 《 1mm）且采點密度較大時，采得點的順序會發生混亂，從而使球半徑補償方向產生錯誤，造成獲得的幾何特征與實際不符（圖1）。

　　圖1 葉片出氣邊的半徑補償錯誤

　　此外，由于物體表面存在一定不平度，同時紅寶石球的直徑要遠大于表面不平度，導致測針無法測得物體表面的微小凹陷（圖2）。

　　圖2 紅寶石球測針無法測得物體表面的微小凹陷

　　接觸式測量的第三個問題在于被測物體的表面特性。如果被測物體表面比較柔軟，或精細易損，則不適合使用接觸式測頭。當測針接觸物體表面后，輕則使之發生形變，產生較大誤差；重則損壞物體表面。

　　出于以上原因，光學測量與之相比就有著本質上的優勢。光學測量作為一種非接觸式測量方法，不使用接觸式測針進行采點，而是利用了光的某方面特性來進行測量。這樣就完全規避了紅寶石球的補償帶來的潛在問題，也使被測物體表面不再受到測針接觸帶來的影響。至于測量速度則取決于光學測頭的種類。但無論哪種測頭，其采點方式都是連續的。而且在采點過程中，光學測頭區別于接觸式測頭，接觸式測頭會因為接觸物體表面時速度過快而被認為發生了碰撞，由于光學測頭完全不會遇到這個問題，因此進一步提高了采點速度。

光學測頭的分類方法有很多，種類更是繁復。從測量原理上通常可以分為共軸測量和三角測量；從光源屬性上可以分為主動光源和被動光源；從光源維度上可以分為點光源、線光源和面光源；從光源色譜上又可以單色光源和白光源。共軸測量中常見的方法有兩種。其一是干涉法，它利用了光的波長特性，將一束光通過平面分光鏡（半透半反）分成兩束。一束由鏡面反射至參考平面，另一束則透射至被測物體表面。兩束光經疊加后產生干涉條紋，干涉條紋的形式取決于物體的距離與物體表面的幾何特征。另一種是共焦法，從一個點光源發射的探測光通過透鏡聚焦到被測物體上，如果物體恰在焦點上，那么反射光通過原透鏡應當匯聚回到光源，這就是所謂的共焦。在反射光的光路上加上了一塊半反半透鏡，將反射光折向帶有小孔的擋板，小孔位置相當于光源。光度計測量小孔處的反射光強度，強度最大時物體即位于透鏡焦點平面，這樣即可測得物點的位置。三角測量則是利用了光源、像點和物點之間的三角關系來求得物點的距離。我們以點光源舉例（圖3）：

　　圖3 三角測量示意圖

　　光源向物體發射一個光點，光點到達物體后經過反射在傳感器上得到一個像點；光源、物點和像點形成了一定的三角關系，其中光源和傳感器上的像點的位置是已知的，由此可以計算得出物點的位置所在。有的測頭以線光源來替代點光源，將一條由若干光點組成的光條紋投射到物體表面（圖4），傳感器上接收到的則是二維畸變光線圖像，光線的畸變形狀取決于每個物點的位置，這樣的線光源測頭可以大幅提高采點的速度。