專利名稱：全息式激光光觸針測(cè)量頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光學(xué)元件，更具體地說(shuō)，本實(shí)用新型是關(guān)于全息式離焦法激光光觸針測(cè)量頭。
目前對(duì)物體的位移、表面輪廓、表面粗糙度等幾何量參數(shù)進(jìn)行非接觸測(cè)量用的測(cè)微儀所采用的離焦法光學(xué)測(cè)頭如

圖1所示，主要包括半導(dǎo)體激光器［1］、準(zhǔn)直鏡［2］、分光鏡［13］、匯聚鏡［14］、傅科棱鏡［15］、物鏡［6］和光電接收器［16］等，該技術(shù)方案的不足之處是所需光學(xué)元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。
本實(shí)用新型的目的是，將上述分光鏡［13］、匯聚鏡［14］和傅科棱鏡［15］由具有透光、分光和聚焦功能的全息雙刀口光學(xué)元件［5］替代，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低的全息式離焦法激光光觸針測(cè)量頭。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是，它包括半導(dǎo)體激光器［1］、準(zhǔn)直鏡［2］、全息雙刀口光學(xué)元件［5］、物鏡［6］和四象限光電接收器［8］。全息雙刀口光學(xué)元件［5］由在光學(xué)玻璃基體上集成了兩個(gè)全息片［3］、［4］組成，全息片［3］、［4］上干涉條紋的空間頻率與半導(dǎo)體激光器［1］的波長(zhǎng)相匹配。全息雙刀口光學(xué)元件［5］設(shè)置于準(zhǔn)直鏡［2］與物鏡［6］之間，經(jīng)準(zhǔn)直鏡［2］準(zhǔn)直的平行光束［11］沿光路透過(guò)全息雙刀口光學(xué)元件［5］和物鏡［6］匯聚為一光觸針［7］投射到被測(cè)表面［12］，由該表面［12］反射的光束再經(jīng)物鏡［6］匯聚照射到全息雙刀口光學(xué)元件［5］上，經(jīng)全息片［3］、［4］衍射的光束偏離主光路到達(dá)四象限光電接收器［8］。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述。
圖1是原有的離焦法激光光觸針測(cè)量頭工作原理圖。
圖2是本實(shí)用新型的工作原理圖圖3是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)圖。
圖4是全息雙刀口光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是全息雙刀口光學(xué)元件的安裝示意圖。
如圖2所示測(cè)量時(shí)，半導(dǎo)體激光器［1］發(fā)出的光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡［2］成平行光后，沿光路照射到全息雙刀口光學(xué)元件［5］，由物鏡［6］在被測(cè)表面［12］上匯聚為一微小光點(diǎn)，由被測(cè)表面［12］反射的光束再經(jīng)物鏡［6］匯聚照射到全息雙刀口光學(xué)元件［5］上，由其上的全息片［3］、［4］分別衍射的光束的主光線偏離主光軸為13.8°±0.2°及19.8°±0.2°到達(dá)四象限光電接收器［8］。當(dāng)被測(cè)表面［12］位于匯聚點(diǎn)上時(shí)，衍射光束在四象限光電接收器［8］的分劃線上為兩個(gè)微光點(diǎn)；當(dāng)被測(cè)表面［12］偏離匯聚點(diǎn)時(shí)，四象限光電接收器［8］上將形成兩個(gè)光斑，由于全息片［3］、［4］的雙刀口作用，光斑被切割成兩個(gè)半圓形。依據(jù)被測(cè)表面［12］位于匯聚點(diǎn)的不同側(cè)面，兩個(gè)半圓形光斑也將位于四象限光電接收器［8］的一、三象限或二、四象限上。設(shè)V1、V2、V3和V4分別是S1、S2、S3和S4的光電轉(zhuǎn)換輸出，則檢測(cè)輸出信號(hào)由下式計(jì)算V＝(V1＋V4)－(V2＋V3)V經(jīng)后續(xù)數(shù)據(jù)處理即可對(duì)被測(cè)表面［12］的位移、表面輪廓、表面粗糙度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。
半導(dǎo)體激光器［1］的發(fā)光中心波長(zhǎng)為815納米，發(fā)散角θ⊥＝11°，θ11＝33°。
準(zhǔn)直鏡［2］的焦距為4.6毫米。四象限光電接收器［8］為光電池或光電管，該光電池或光電管分為四個(gè)象限，分別設(shè)為S1、S2、S3和S4。
物鏡為可更換式，測(cè)量小工作距離、高縱橫向分辨率時(shí)采用短焦距非球面物鏡，焦距為4.6毫米；測(cè)量大工作距離、低縱橫向分辨率時(shí)采用雙膠合球面物鏡，焦距為15毫米。
全息雙刀口光學(xué)元件［5］是利用“刀口”對(duì)由被測(cè)表面［12］反射回來(lái)的一部分光束進(jìn)行遮擋，使離焦時(shí)的象斑形狀產(chǎn)生非對(duì)稱變化，從而進(jìn)行測(cè)量。如圖4所示，起到雙刀口作用的全息光學(xué)元件是在一塊光學(xué)玻璃基片上集成了兩塊全息片［3］、［4］，由于［3］、［4］是紅外全息片，［3］、［4］的設(shè)計(jì)與生成是以計(jì)算生成全息的方法為基礎(chǔ)。首先以四象限光電接收器［8］上的接收光點(diǎn)P1、P2為參考點(diǎn)的球面波與準(zhǔn)直的平面波相干涉寫(xiě)出全息片的全息條紋方程，繼而以放大10倍的比率寫(xiě)出全息片放大模板的全息條紋函數(shù)。將全息條紋函數(shù)離散取值制成數(shù)據(jù)帶，輸給電子束曝光機(jī)進(jìn)行制作。再以此放大模板為母板進(jìn)行10倍精縮，經(jīng)曝光、顯影和腐蝕得到所需全息片。全息片［3］、［4］的干涉條紋的平均間距分別為在2.4μm及3.4μm，［3］、［4］條紋的空間頻率與半導(dǎo)體激光器［1］的發(fā)光中心波長(zhǎng)相匹配，滿足關(guān)系式Sinα＝ (λ)/(d) ，入－半導(dǎo)體激光器［1］的發(fā)光中心波長(zhǎng)，d－全息片［3］、［4］的干涉條紋平均間距，α－四象限光電接收器［8］接收的衍射主光線與主光軸間的夾角，為使全息雙刀口光學(xué)元件［5］所引起的反射光束不直接返回半導(dǎo)體激光器［1］，以降低噪聲，全息雙刀口光學(xué)元件［5］的安裝見(jiàn)圖3、圖5。在安裝于固定座［10］上時(shí)，全息雙刀口光學(xué)元件［5］的軸線與固定座［10］的軸線的夾角為3°～5°，此夾角應(yīng)位于一個(gè)包含有主光軸的平面內(nèi)，此平面與主光軸和衍射主光線所確定的平面相垂直。
本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕。
本實(shí)用新型測(cè)量范圍大，通用性強(qiáng)，可直接替換目前使用的通用機(jī)械式測(cè)頭，而不需更換后續(xù)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。它還可廣泛應(yīng)用于軟質(zhì)材料的非接觸測(cè)量，也可用于振動(dòng)等參數(shù)測(cè)量和在線測(cè)量。
權(quán)利要求1.一種全息式激光光觸針測(cè)量頭，包括半導(dǎo)體激光器[1]、準(zhǔn)直鏡[2]、物鏡[6]和四象限光電接收器[8]，其特征在于還包括全息雙刀口光學(xué)元件[5]，它是由在光學(xué)玻璃基體上集成了兩個(gè)全息片[3]、[4]所組成，所述的全息片[3]、[4]的空間頻率與半導(dǎo)體激光器[1]的波長(zhǎng)相匹配；所述的全息雙刀口光學(xué)元件[5]設(shè)置于準(zhǔn)直鏡[2]與物鏡[6]之間，經(jīng)準(zhǔn)直鏡[2]準(zhǔn)直的平行光束[11]沿光路透過(guò)全息雙刀口光學(xué)元件[5]和物鏡[6]匯聚為一光觸針[7]投射到被測(cè)表面[12]，由該表面[12]反射的光束再經(jīng)物鏡[6]匯聚照射到全息雙刀口光學(xué)元件[5]上，經(jīng)全息片[3]、[4]衍射的光束偏離主光路到達(dá)四象限光電接收器[8]。
2.如權(quán)利要求1所述的激光測(cè)頭，其特征在于所述的全息雙刀口光學(xué)元件［5］在安裝于固定座［10］上時(shí)，全息雙刀口光學(xué)元件［5］的軸線與固定座［10］的軸線的夾角為3°～5°，此夾角應(yīng)位于一個(gè)包含有主光軸的平面內(nèi)，此平面與主光軸和衍射主光線所確定的平面相垂直。
3.如權(quán)利要求1所述的激光測(cè)頭，其特征在于所述的反射光再經(jīng)全息片［3］、［4］衍射的光束的主光線偏離主光軸的角度分別為13.8°±0.2°及19.8°±0.2°。
4.如權(quán)利要求1所述的激光測(cè)頭，其特征在于所述的物鏡［6］是可更換物鏡，測(cè)量小工作距離、高縱橫向分辨時(shí)采用短焦距的非球面物鏡，測(cè)量大工作距離、低縱橫向分辨率時(shí)采用雙膠合球面物鏡。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種全息式激光光觸針測(cè)量頭，它包括半導(dǎo)體激光器[1]、準(zhǔn)直鏡[2]、全息雙刀口光學(xué)元件[5]、物鏡[6]、四象限光電接收器[8]。全息雙刀口光學(xué)元件[5]設(shè)置于準(zhǔn)直鏡[2]與物鏡[6]之間。經(jīng)準(zhǔn)直的激光束[11]由物鏡[6]匯聚投射到被測(cè)表面[12]上，由被測(cè)表面[12]反射的光束經(jīng)全息雙刀口光學(xué)元件[5]上全息片[3]、[4]衍射后偏離主光路投射到四象限光電接收器[8]上。該測(cè)量頭可用于對(duì)物體位移、表面輪廓、表面粗糙度、表面缺陷等進(jìn)行非接觸測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B11/24GK2151441SQ9224088
公開(kāi)日1993年12月29日 申請(qǐng)日期1992年11月16日 優(yōu)先權(quán)日1992年11月16日
發(fā)明者莊葆華, 張吉華, 呂克謙, 李 真 申請(qǐng)人:天津大學(xué)