專利名稱：全息式焦點跟蹤光觸針測微儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于測量長度的精密儀器，更具體地說，本發(fā)明屬于用光學方法對位移、表面輪廓、表面粗糙度以及表面缺陷進行測量的精密儀器。
目前非接觸式光學法測微大致采用三種方法，即干涉條紋檢測法，光散射測量法和離焦檢測法。
干涉條紋檢測法是利用參考表面和被測表面兩束反射光的干涉，分析干涉條紋圖樣的強度和位相變化，從而進行測微。此種方法測量范圍大，測量精度高，但測量裝置成本較高且裝調困難。此外，此種方法常采用區(qū)域照明，難以描繪被測面細微的實際輪廓。
光散射測量法具有測量范圍大，測量方法簡便等特點，但測量精度較低，照射光點大且在被測范圍內變化大。
離焦檢測法，又稱光觸針法，它將光束聚焦成微米量級的光點照射到被測表面上，光點可與機械式觸針相比擬，故稱之為光觸針。它利用反射光通過離焦檢測元件在光電接收器件上的光斑圖象變化進行測量。此法能真實擴大和記錄被測面的斷面曲線，易于制成微型測頭，從而在不更換其他設備的情況下取代機械觸針式測頭，具有極大的應用前景。
德國UBM公司生產了一種UB16型非接觸光學測微計。該測微計采用目前已有的離焦檢測法，其光學工作原理在

圖1中示出。光源[1]由準直鏡[2]形成平行光，透過分光鏡[13]由物鏡[6]形成光觸針[7]，并聚焦在被測面[12]上。由被測面[12]反射的光束由分光鏡[13]反射后投向匯聚鏡[20]，其匯聚光照射到離焦檢測元件-傅科棱鏡[21]上，所形成的光斑由光電接收器件[8]與[9]接收并轉換為離焦電量送至離焦信號處理器[14]中。離焦信號處理器[14]的輸出送入驅動器[16]，驅動器[16]的輸出用于推動焦點跟蹤驅動器[11]并帶動物鏡[6]沿光軸移動。被測面[12]的位移量由與物鏡[6]連接的位移測量裝置[19]測出。上述離焦檢測法測微儀的不足之處是1.離焦檢測所需的元件多，價格高。為了分辨出離焦量至少要用分光鏡[13]、匯聚鏡[20]及傅科棱鏡[21]三個元件;2.實際的位移測量是由位移測量裝置[19]來完成，這使得結構復雜，安裝困難，因而成本較高。
本發(fā)明的目的是克服現有技術中的缺點，提供一種結構比較簡單、成本比較低、體積比較小，而且測量范圍寬、分辨率高、噪聲低的光學測微儀。
本發(fā)明含有半導體激光器[1]、準直透鏡[2]、物鏡[6]、焦點跟蹤驅動器[11]、驅動電路[16]、積分器[15]和顯示器[18];由全息片[3]和[4]集成的全息刀口元件[5]設置在準直透鏡[2]和物鏡[6]之間;二個二象限光電接收器[8]和[9]置于半導體激光器[1]的一側或分別置于半導體激光器[1]的一側和后(前)側，以便接收到全息刀口元件[5]衍射的光束;所述光電接收器[8]和[9]連接信號處理器[14]，所述信號處理器[14]用以處理被測表面位移變化的信號(離焦量);非線性修正器[17]一端接積分器[15]，另一端接顯示器[18]。
上述全息刀口元件[5]最好采用全息正交刀口元件或全息雙刀口元件。上述全息刀口元件[5]向著光電接收器[8]和[9]的相反方向頌斜3-5°，效果更佳。
下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的描述和說明。
圖1是現有技術中的離焦法激光光觸針測微儀的工作原理圖;
圖2(1)是本發(fā)明采用全息正交刀口元件的測微儀的工作原理圖;
圖2(2)是本發(fā)明采用全息雙刀口元件的測微儀的工作原理圖;
圖3(1)是本發(fā)明采用全息正交刀口元件的測微儀的結構圖(去外殼俯視圖);
圖3(2)是本發(fā)明采用全息雙刀口元件的測微儀的結構圖(正視圖);
圖4(1)是全息正交刀口元件結構示意圖;
圖4(2)是全息雙刀口元件結構示意圖;
圖5是信號處理器的電路圖。
現在簡述一下本發(fā)明的工作原理由半導體激光器[1]發(fā)出的光經準直透鏡[2]準直后照射到全息刀口元件[5]，其透射光經物鏡[6]聚焦形成光觸針[7]投射于被測面[12]上，被測面[12]將光反射回物鏡[6]，并再次照射全息刀口元件[5];此時，由全息刀口元件[5]衍射的光線經匯聚投射到光電接收器[8]和[9]上，形成兩個光斑P1、P2。利用光觸針[7]與被測面[12]的相互位置不同，即在焦點上，遠離焦點及近焦點時光電接收器[8]和[9]上光斑形狀的變化，經信號處理器[14]處理，可得出離焦誤差等電量。此電量送入積分器[15]進行積分運算。積分電量一路送入驅動電路[16]進行功率放大，用以推勸焦點跟蹤驅動器[11]，使焦點始終跟蹤被測面[12]。積分電量另一路送入非線性修正器[17]進行非線性修正，修正后的電量送入顯示器[18]，直接顯示出被測位移量。進而能求出表面輪廓度，表面粗糙度及表面缺陷等。
下面介紹本發(fā)明的實施例。
半導體激光器[1]的發(fā)光中心波長為815納米，發(fā)散角θ⊥＝11°，θ11＝33°。
二象限光電接收器[8]和[9]可采用光電池或光電管，該光電池或光電管分為二個象限。
物鏡[6]采用焦距為4.6mm的非球面物鏡。
全息刀口元件[5]最好采用雙刀口元件或正交刀口元件。全息雙刀口光學元件是利用“刀口”對由被測表面[12]反射回來的一部分光束進行遮擋，使離焦時的象斑形狀產生非對稱變化，從而進行測量。起到雙刀口作用的全息光學元件是在一塊光學玻璃基片上集成兩塊全息片[3]和[4]，由于[3]和[4]是紅外全息片，[3]和[4]的設計與生成是以計算生成全息的方法為基礎。首先以兩個二象限光電接收器[8]和[9]上的接收光點P1、P2為參考點的球面波與準直的平面波相干涉寫出全息片的全息條紋方程，繼而以放大10倍的比率寫出全息片放大模板的全息條紋函數。將全息條紋函數離散取值制成數據帶，輸給電子束曝光機進行制作。再以此放大模板為母板進行10倍精縮，經曝光、顯影和腐蝕得到所需全息片。全息片[3]和[4]的干涉條紋的平均間距分別為在2.4μm及3.4μm的范圍中，全息片[3]和[4]條紋的空間頻率與半導體激光器[1]的發(fā)光中心波長相匹配，滿足關系式Sinα＝ (λ)/(d) ，λ-半導體激光器[1]的發(fā)光中心波長，d-全息片[3]和[4]的干涉條紋平均間距，α-衍射主光線與主光軸間的夾角。為使全息刀口光字元件[5]所引起的反射光束不直接返回半導體激光器[1]，以降低噪聲，全息刀口光學元件[5]安裝于固定座[10]上時，全息刀口光學元件[5]的軸線與固定座[10]的軸線的夾角為3°-5°，此夾角應位于一個包含有主光軸的平面內，此平面與主光軸和衍射主光線所確定的平面相垂直。
全息正交刀口元件也是在一塊基片上集合兩個全息片[3]與[4]。它們的設計與生成是以半導體激光器[1]的發(fā)光經準直的平行光束作為參考光束。以兩個二象限光電接收器[8]與[9]上的P1與P2點作為物光點，由此所發(fā)出的球面波作為物光束，參考光束與物光束相干涉而得。一般P1與P2設在同一個圓周上，圓周的中心點在主光軸上，其所對應的圓心角選為90°。利用全息正交刀口元件實現透光、空間分光與聚焦的功能。當半導體激光器[1]發(fā)出并經準直鏡[2]準直的激光光束直接透過全息正交刀口元件時，由物鏡[6]匯聚為一光觸針[7]，在被測表面[12]上投射為一微小光點。由被測表面[12]反射的光束再經物鏡[6]匯聚照射到全息正交刀口元件，由其上的全息片[3]和[4]分別進行衍射。衍射的匯聚光形成形狀不同的光斑由兩個二象限光電接收器[8]和[9]接收并轉換為電量V1-V4。離焦檢測信號V由下式計算V =( V1- V2) + ( V3- V4)V1+ V2+ V3+ V4]]>采用全息正交刀口元件作為離焦檢測元件可以消除(或大為減小)被測表面[12]反射率變化對離焦信號的影響。
信號處理器[14]用以處理被測表面位移變化的信號。信號處理器[14]可采用圖5示出的電路。
積分器[15]可以采用運算放大器，在其反饋回路中接一漏電小的電容而構成。積分器[15]用于對離焦信號進行積分，其積分后的電量作為驅動電路[16]的輸入，經驅動電路[16]對電量進行功率放大后，用以推動焦點跟蹤驅動器[11]。物鏡[6]安裝在驅動器[11]上。物鏡[6]隨著焦點量的變化而不斷移動，以跟蹤被測表面的位移變化。非線性修正器[17]可由8098單片機系統(tǒng)組成，用于修正主要來自驅動器[11]的非線性誤差，以提高測量精度。顯示器[18]可采用LED顯示。
本發(fā)明與現有技術相比，有如下優(yōu)點
1.結構簡單、體積小、重量輕。
2.通用性強，精度高，可替換目前使用的機械式測頭的測微儀。
3.縱、橫向分辨率高，可獲得高精度的測量值。
4.測量范圍大，應用范圍廣，它還可應用于軟質材料的非接觸測量，也可用于振動等參數測量和在線測量。
權利要求
1.一種全息式焦點跟蹤光觸針測微儀，含有半導體激光器[1]、準直透鏡[2]、物鏡[6]、焦點跟蹤驅動器[11]、驅動電路[16]、積分器[15]和顯示器[18]，其特征是，由全息片[3]和[4]集成的全息刀口元件[5]設置在準直透鏡[2]和物鏡[6]之間；二個二象限光電接收器[8]和[9]置于半導體激光器[1]的一側或分別置于半導體激光器[1]的一側和后(前)側，以便接收到由全息刀口元件[5]衍射的光束；所述光電接收器[8]和[9]連接信號處理器[14]，所述信號處理器[14]用以處理被測表面位移變化的信號；非線性修正器[17]一端接積分器[15]，另一端接顯示器[18]。
2.根據權利要求1所述的測微儀，其特征是，所述的全息刀口元件[5]為全息正交刀口元件。
3.根據權利要求1所述的測微儀，其特征是，所述的全息刀口元件[5]為全息雙刀口元件。
4.根據權利要求1所述的測微儀，其特征是，所述的全息刀口元件[5]向著光電接收器[8]和[9]的相反方向傾斜3-5°。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全息式焦點跟蹤光觸針測微儀，它含有半導體激光器[1]、準直透鏡[2]、物鏡[6]、焦點跟蹤驅動器[11]、驅動電路[16]、積分器[15]和顯示器[18]。全息刀口元件[5]設置在準直透鏡[2]和物鏡[6]之間；激光器[1]的附近設置二個二象限光電接收器[8]和[9]。所述光電接收器[8]和[9]連接信號處理器[14]，非線性修正器[17]分別接積分器[15]和顯示器[18]。本發(fā)明結構簡單，成本較低，測量范圍大，分辨率和精度高，可廣泛應用于非接觸測微。
文檔編號G01B9/00GK1090037SQ9310014
公開日1994年7月27日 申請日期1993年1月8日 優(yōu)先權日1993年1月8日
發(fā)明者莊葆華, 張吉華, 呂克謙, 李 真 申請人:天津大學