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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四、音圈电机的性能分析和试验检测
伺服执行机构采用动圈式音圈电机，主要由磁钢、线圈、运动体及簧片组成，如图5所示。
当改变线圈电流的大小与方向时，线圈体在磁钢的作用下上下移动（F＝BIL），从而改变固定在骨架运动体上光学探针的位置，音圈电机的直线位移即为骨架体的运动位移。
为了改善其静动态特性，这里采用线切割方法把一块弹簧钢板切割成整体骨架形状，构成音圈电机原有的运动体及簧片。线圈体与骨架运动体固连在一起，如图6所示。
采用D/A及功放输出给电机线圈两端加载电压，通过高精度光栅传感器测量电机位移，对电机分别进行线性、重复性测试，得到如图7、图8所示的曲线。 从实验数据中，可以看出电机具有良好的线性和重复性。因而在实际测量中，对电机进行位移标定后，可以根据线圈两端所加电压计算出电机位移量。
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五、音圈电机的二次精确找焦
光信号经过聚焦探测器后，其电流信号分成两部分经过电流电压转换，两者求差后，去除直流信号和比例运算放大后，由A/D转换器将其转换成电信号。当在焦点位置时，电信号的A/D转换值基本上为零，可设定为阈值，当A/D转换后的信号值小于该值时，认为到达焦点位置，这样有助于提高找焦速度。
在实际采样之前，在起始位置进行找焦，采用的是两次精确找焦的方法。
音圈电机两端的电压在－5V～＋5V的范围内变化时，其具有良好的线性位移关系。前面介绍的线性分析和重复性分析试验得到位移的电压当量为56.21212μm/V。
测量系统采用D/A转换芯片AD669外加上功率放大电路对音圈电机进行驱动。AD669是16位DA芯片，转换电压设定为-5V～＋5V的范围，其最小分辨率为0.1526mv。所以理论分辨率为0.0086um。
第一次找焦时，将音圈电机走步的步距设置为较大的距离，这样节省了走步时间。计算机在0～65536的范围内，每步走400个字（3.44um），经过一次找焦之后，可以获得光强最小大致位置。这时，找焦图上可以看到每个位置对应的光电管输出的光强，找到光强最小的近似位置，这样就获得了光强最小时近似的DA值。（因为光电探测器在焦点位置时，其光强变化比较剧烈，而走步步距较大时，不能精确找到焦点位置）。
图9显示了电机在整个行程（相当于562μm）范围内的聚焦误差信号，从图中可以看出，聚焦误差信号从负饱和状态开始到正饱和状态结束之间，达到几百微米。在此区间范围内，系统根据误差信号，能够判断聚焦时电机的驱动方向。
二次聚焦是以第一次找到的焦点位置为中心，在2000在个字的范围内（17.2μm）进行的。每步走50个字（0.43μm），每次读出光电信号的A/D转换值，可以找到较为精确的焦点位置。图10显示了在焦点附近8.6μm的区间的聚焦误差信号，可以看出，误差信号处于负饱和与正饱和之间临界状态区间范围很小，（不同的材料其范围也不一样，从0. 3μm ~4.5μm不等）。
通过精确的二次聚焦 ，我们可以得到在测量的起始位置音圈电机找到焦点时的D/A转换值，这也对后面的测量找到了基准点。
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
图11为传感器的实物图。利用该传感器做成的非接触测量系统，具有速度快、精度高、测量准确的特点。
图12是对经中国计量科学院检定的标准表面粗糙度标准样板A05149单次测量结果滤波处理后的粗糙度测量曲线。 经过软件数据处理后,测得值如下：Ra=4.10mm，Rz=9.04mm，Ry=12.67mm，S=0.331mm，Sa=0.27mm。该样板Ra的标称值为4.08mm。测得值的相对误差为0.49％。重复测量5次后的结果表明其示值误差范围为 2%，示值的变动性<1%。
八、结束语
经过试验多次检测和用户反馈信息表明：由二维精密测量工作台、基于ISA槽的数据采集卡、数字伺服聚焦非接触位移传感器和采集评定软件组成的表面形貌测量系统，其垂直测量范围为500µm；垂直测量精度可以达到0.5µm，分辨率为0.01µm。该传感器在检测和制造行业有较大的推广应用价值。
