CN2151441Y

CN2151441Y - 全息式激光光触针测量头

Info

Publication number: CN2151441Y
Application number: CN 92240883
Authority: CN
Inventors: 庄葆华; 张吉华; 吕克谦; 李�真
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 1992-11-16
Filing date: 1992-11-16
Publication date: 1993-12-29
Anticipated expiration: 2002-11-16

Abstract

本实用新型公开了一种全息式激光光触针测量头，它包括半导体激光器[1]、准直镜[2]、全息双刀口光学元件[5]、物镜[6]、四象限光电接收器[8]。全息双刀口光学元件[5]设置于准直镜[2]与物镜[6]之间。经准直的激光束[11]由物镜[6]汇聚投射到被测表面[12] 上，由被测表面[12]反射的光束经全息双刀口光学元件[5]上全息片[3]、[4]衍射后偏离主光路投射到四象限光电接收器[8]上。该测量头可用于对物体位移、表面轮廓、表面粗糙度、表面缺陷等进行非接触测量。

Description

本实用新型涉及光学元件，更具体地说，本实用新型是关于全息式离焦法激光光触针测量头。

目前对物体的位移、表面轮廓、表面粗糙度等几何量参数进行非接触测量用的测微仪所采用的离焦法光学测头如图1所示，主要包括半导体激光器［1］、准直镜［2］、分光镜［13］、汇聚镜［14］、傅科棱镜［15］、物镜［6］和光电接收器［16］等，该技术方案的不足之处是所需光学元件多，结构复杂、成本高。

本实用新型的目的是，将上述分光镜［13］、汇聚镜［14］和傅科棱镜［15］由具有透光、分光和聚焦功能的全息双刀口光学元件［5］替代，提供一种结构简单，成本低的全息式离焦法激光光触针测量头。

本实用新型的技术方案是，它包括半导体激光器［1］、准直镜［2］、全息双刀口光学元件［5］、物镜［6］和四象限光电接收器［8］。全息双刀口光学元件［5］由在光学玻璃基体上集成了两个全息片［3］、［4］组成，全息片［3］、［4］上干涉条纹的空间频率与半导体激光器［1］的波长相匹配。全息双刀口光学元件［5］设置于准直镜［2］与物镜［6］之间，经准直镜［2］准直的平行光束［11］沿光路透过全息双刀口光学元件［5］和物镜［6］汇聚为一光触针［7］投射到被测表面［12］，由该表面［12］反射的光束再经物镜［6］汇聚照射到全息双刀口光学元件［5］上，经全息片［3］、［4］衍射的光束偏离主光路到达四象限光电接收器［8］。

下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。

图1是原有的离焦法激光光触针测量头工作原理图。

图2是本实用新型的工作原理图

图3是本实用新型的结构图。

图4是全息双刀口光学元件的结构示意图。

图5是全息双刀口光学元件的安装示意图。

如图2所示测量时，半导体激光器［1］发出的光束经准直镜［2］成平行光后，沿光路照射到全息双刀口光学元件［5］，由物镜［6］在被测表面［12］上汇聚为一微小光点，由被测表面［12］反射的光束再经物镜［6］汇聚照射到全息双刀口光学元件［5］上，由其上的全息片［3］、［4］分别衍射的光束的主光线偏离主光轴为13.8°±0.2°及19.8°±0.2°到达四象限光电接收器［8］。当被测表面［12］位于汇聚点上时，衍射光束在四象限光电接收器［8］的分划线上为两个微光点；当被测表面［12］偏离汇聚点时，四象限光电接收器［8］上将形成两个光斑，由于全息片［3］、［4］的双刀口作用，光斑被切割成两个半圆形。依据被测表面［12］位于汇聚点的不同侧面，两个半圆形光斑也将位于四象限光电接收器［8］的一、三象限或二、四象限上。设V₁、V₂、V₃和V₄分别是S₁、S₂、S₃和S₄的光电转换输出，则检测输出信号由下式计算：

V＝（V₁＋V₄）－（V₂＋V₃）

V经后续数据处理即可对被测表面［12］的位移、表面轮廓、表面粗糙度等参数进行测量。

半导体激光器［1］的发光中心波长为815纳米，发散角θ_⊥＝11°，θ₁₁＝33°。

准直镜［2］的焦距为4.6毫米。四象限光电接收器［8］为光电池或光电管，该光电池或光电管分为四个象限，分别设为S₁、S₂、S₃和S₄。

物镜为可更换式，测量小工作距离、高纵横向分辨率时采用短焦距非球面物镜，焦距为4.6毫米；测量大工作距离、低纵横向分辨率时采用双胶合球面物镜，焦距为15毫米。

全息双刀口光学元件［5］是利用“刀口”对由被测表面［12］反射回来的一部分光束进行遮挡，使离焦时的象斑形状产生非对称变化，从而进行测量。如图4所示，起到双刀口作用的全息光学元件是在一块光学玻璃基片上集成了两块全息片［3］、［4］，由于［3］、［4］是红外全息片，［3］、［4］的设计与生成是以计算生成全息的方法为基础。首先以四象限光电接收器［8］上的接收光点P₁、P₂为参考点的球面波与准直的平面波相干涉写出全息片的全息条纹方程，继而以放大10倍的比率写出全息片放大模板的全息条纹函数。将全息条纹函数离散取值制成数据带，输给电子束曝光机进行制作。再以此放大模板为母板进行10倍精缩，经曝光、显影和腐蚀得到所需全息片。全息片［3］、［4］的干涉条纹的平均间距分别为在2.4μm及3.4μm，［3］、［4］条纹的空间频率与半导体激光器［1］的发光中心波长相匹配，满足关系式Sinα＝ (λ)/(d) ，入－半导体激光器［1］的发光中心波长，d－全息片［3］、［4］的干涉条纹平均间距，α－四象限光电接收器［8］接收的衍射主光线与主光轴间的夹角，为使全息双刀口光学元件［5］所引起的反射光束不直接返回半导体激光器［1］，以降低噪声，全息双刀口光学元件［5］的安装见图3、图5。在安装于固定座［10］上时，全息双刀口光学元件［5］的轴线与固定座［10］的轴线的夹角为3°～5°，此夹角应位于一个包含有主光轴的平面内，此平面与主光轴和衍射主光线所确定的平面相垂直。

本实用新型结构简单，体积小，重量轻。

本实用新型测量范围大，通用性强，可直接替换目前使用的通用机械式测头，而不需更换后续的数据处理系统。它还可广泛应用于软质材料的非接触测量，也可用于振动等参数测量和在线测量。

Claims

1、一种全息式激光光触针测量头，包括半导体激光器[1]、准直镜[2]、物镜[6]和四象限光电接收器[8]，其特征在于还包括全息双刀口光学元件[5]，它是由在光学玻璃基体上集成了两个全息片[3]、[4]所组成，所述的全息片[3]、[4]的空间频率与半导体激光器[1]的波长相匹配；所述的全息双刀口光学元件[5]设置于准直镜[2]与物镜[6]之间，经准直镜[2]准直的平行光束[11]沿光路透过全息双刀口光学元件[5]和物镜[6]汇聚为一光触针[7]投射到被测表面[12]，由该表面[12]反射的光束再经物镜[6]汇聚照射到全息双刀口光学元件[5]上，经全息片[3]、[4]衍射的光束偏离主光路到达四象限光电接收器[8]。

2、如权利要求1所述的激光测头，其特征在于所述的全息双刀口光学元件［5］在安装于固定座［10］上时，全息双刀口光学元件［5］的轴线与固定座［10］的轴线的夹角为3°～5°，此夹角应位于一个包含有主光轴的平面内，此平面与主光轴和衍射主光线所确定的平面相垂直。

3、如权利要求1所述的激光测头，其特征在于所述的反射光再经全息片［3］、［4］衍射的光束的主光线偏离主光轴的角度分别为13.8°±0.2°及19.8°±0.2°。

4、如权利要求1所述的激光测头，其特征在于所述的物镜［6］是可更换物镜，测量小工作距离、高纵横向分辨时采用短焦距的非球面物镜，测量大工作距离、低纵横向分辨率时采用双胶合球面物镜。