一、引言
对于工程表面形貌的测量，基于聚焦探测原理的光针式轮廓仪是一种较理想的测量仪器，国外已研究出类似的产品，但是价格比较昂贵，且由于测量系统对于有一定倾斜角的表面的处理方法还不成熟，实际应用受到局限。而通过线切割方法设计的音圈电机，具有重复性高、线性好、响应速度快、无滞后等优良特性，可使数字伺服聚焦非接触传感器的精度得以提高，是一种较为理想的选择。
二、数字伺服聚焦非接触位移传感器原理
数字伺服聚焦非接触位移传感器的原理主要基于改进的傅科刀口法，具体如下：半导体激光器整形及准直后的平行光，经透镜系统聚焦到待测表面，反射光经过BS棱镜﹑聚焦透镜﹑分束棱镜后，导向聚焦探测器，聚集探测器可以分辨光是否聚焦在待测物体上面，如图1所示。
如图2所示，两组光电探测器接收光强信号的差分信号即为聚焦误差信号，当入射光束会聚在被测工件表面上时，聚焦误差信号为零。偏离焦点位置后，探测器的信号经过差分﹑放大﹑整形后，经过AD1674转换成数字信号，传给计算机，这样就得到聚焦误差信号，然后计算机发指令给AD669，数字信号转成模拟信号，功率放大后去控制电机，使得组合透镜上下移动重新找焦，直到聚焦误差信号近似为零。驱动音圈电机找焦过程中的电压值的变化可以转变为位移当量，反映出待测表面的轮廓。
三、聚焦信号的模型分析
由波动光学理论可知，半导体激光器光束为TEM00高斯光束，沿Z轴方向传播的高斯光束在XY平面上的幅值分布可表示为：A（x,y）=Aexp(- αx2-βy2) (1)
当沿着X轴方向时（y＝0），有：A(x)=A0exp(-αx2)
其中： （2）
其在刀口平面上幅值被调制为：
A(x)=U（x-x0）A0exp(-αx2) （3）
其中：U（x-x0）= （4）
其傅立叶变换为：
F（x）= exp[ ]{1-F( )} (5)
其中：F(z)= （6）
根据衍射理论，在检测平面上沿着X轴的光强为： I（x）= F2（x）
从而有：I（x）＝ [-p2σx2/α]{1-F(i )} 2 (7)
α=1/rx2=1/ω02 (8)
根据波动光学分析可以证明入射光束沿着Y轴方向不受分速棱镜中心位置影响。
由公式（7）知，当入射光束到达刀口平面时候，二象限探测器（由四象限探测器改变而成，如图4所示）的两边的光强分布均匀，光强是关于Y轴对称的偶函数，光积分两边相等；偏离刀口平面时候，检测平面沿着Y轴方向的光强不对称，光强峰值根据离焦状态向左或者向右移动，引起光电探测器两边接收信号不平衡，产生离焦误差信号。实际传感器中用分束棱镜代替了模型中的傅科刀口。
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六、对于不同的材料表面及有一定倾斜角度的表面检测时候失焦的处理
传统使用的聚焦误差信号呈S形曲线，信号的特点是在焦点附近比较强，其他区域较小或被噪声信号淹没，不便于控制。由于测量中表面形貌的起伏较大，实际的电流曲线经常会出现聚焦误差信号逸出S形两端之外，难以取得令人满意的测量效果。
本传感器进行了下列改进研究：
（1）充分利用焦点较远处微弱的光电差分信息和A/D转换饱和的特点，提高放大倍数，加大了系统测量的近焦和远焦区域范围，可以较为容易的区分焦点区和非焦点区。另外，对光电信号的前端处理电路改进，加大了电阻值,使得有用信号增加（U＝IR），引入的噪声信号也增加；但同时影响了仪器的带宽，因此需要平衡处理，根据仪器的采样速度，选取了带宽为1000Hz。
（2）采用模糊二分法对电机进行位移驱动。测量时，驱动电机使光斑聚焦在工件表面，根据聚焦误差信号饱和状态判断驱动方向。当误差信号处于饱和状态，出现饱和跳变时，用二分法(即上次驱动位移量的二分之一)反向驱动；处于临界状态时，根据临界状态下的光强与位移关系直接驱动，直到电机停留在焦点允许的误差范围内。
（3）聚焦误差信号在阶梯和陡坑边沿处，失真较大。当倾斜角度较大时，焦点位置偏离光电探测器较远，音圈电机无论朝那个方向动都不能找到焦点位置，电机会上下不停的找焦，出现震颤现象，这是该类仪器一个原理上的缺陷。对此现象，程序中设置了搜索范围，当电机搜索完一定距离后没有找到焦点就不再跟踪，认为这是一个斜坡，把该点值舍弃；同时设置最大跟踪时间，如果超出这个时间，就不再跟踪，这样既能节约跟踪时间，又可以防止失焦。
（4）测量深颜色表面时，光很大一部分被吸收，反射光不强，所以光电探测器的光电信号放大以后较弱，临界状态区间比较窄，不利于找焦。所以，对光电信号取和并取差，把差信号和和信号相除，再进行放大，这样对深颜色表面测量也能取得较好的效果。
七、实验测量结果
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