[發(fā)明專利]一種高精度激光微位移傳感和定位方法及裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310693960.6
• 申請日: 2013-12-18
• 公開（公告）號: CN103712562A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 董敬濤;吳周令;肖剛
• 申請（專利權(quán)）人: 合肥知常光電科技有限公司
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01B11/245
• 代理公司: 合肥天明專利事務(wù)所 34115
• 代理人: 金凱

1.一種高精度激光微位移傳感和定位方法，其特征在于：包括以下步驟：

（1）、激光束依次經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束、起偏器后成為p偏振光，p偏振光通過偏振分光棱鏡成為測量光束，測量光束經(jīng)過1/4波片后被物鏡聚焦在被測樣品的表面上；被測樣品表面反射的光束再次通過物鏡和1/4波片后，測量光束由p偏振光變?yōu)閟偏振光，然后被偏振分光棱鏡反射進(jìn)入像散透鏡，透過像散透鏡的光束再被光程差棱鏡分成兩束，兩束光分別用兩個四象限探測器來探測，由于光程差棱鏡使兩束光束的光程不等，因此兩束光經(jīng)過像散透鏡的成像點分別落在兩個四象限探測器的前方和后方，形成差動探測，兩個四象限探測器的輸出信號通過信號處理單元進(jìn)行處理；

（2）、兩個四象限探測器形成的差動聚焦誤差信號DFES?=?FES1-FES2?=?[(A1+C1)-(B1+D1)]/(A1+C1+B1+D1)-?[(A2+C2)-(B2+D2)]/(A2+C2+B2+D2)；其中，F(xiàn)ES1、FES2分別是兩個四象限探測器運算得到的聚焦誤差信號，A1、B1、C1、D1是一個四象限探測器的四個象限的輸出信號，A2、B2、C2、D2是另一個四象限探測器的四個象限的輸出信號；

（3）、信號處理單元在四象限探測器四個象限的和信號中，設(shè)定一個閾值：當(dāng)和信號大于該閾值時，將門信號設(shè)為1；反之，將門信號設(shè)為0；然后信號處理單元將門信號和差動聚焦誤差信號做邏輯“與”運算，得到截斷差動聚焦誤差信號，截斷差動聚焦誤差信號在其動態(tài)范圍內(nèi)具有唯一零點，即截斷差動聚焦誤差信號與位移量具有單調(diào)性，一個截斷差動聚焦誤差信號對應(yīng)一個位移量，完成將兩個四象限探測器探測的電壓信號轉(zhuǎn)換為一個截斷差動聚焦誤差信號的轉(zhuǎn)換，使一個位移量對應(yīng)一個截斷差動聚焦誤差信號；

（4）、變換Z軸位移量，使經(jīng)過物鏡聚焦后的激光束由遠(yuǎn)及近地靠近被測樣品的表面，并同時采集截斷差動聚焦誤差信號和Z軸位移量，直至整個截斷差動聚焦誤差信號的動態(tài)范圍全部采集完畢；然后對截斷差動聚焦誤差信號和Z軸位移量做最小二乘擬合，得到對應(yīng)關(guān)系函數(shù)；

（5）、對被測樣品表面進(jìn)行X和Y方向的掃描，并同時采集電壓信號和X、Y位置的坐標(biāo)；然后根據(jù)關(guān)系函數(shù)將每一個掃描點X、Y坐標(biāo)的電壓信號轉(zhuǎn)化為Z軸位移量，就得到了被測樣品表面的三維面型。

2.一種高精度激光微位移傳感和定位裝置，其特征在于：包括有激光二極管，相對激光二極管輸出端設(shè)置的聚焦透鏡，順次設(shè)置于聚焦透鏡后端的準(zhǔn)直透鏡、起偏器和偏振分光棱鏡，順次設(shè)置于偏振分光棱鏡透射輸出端后的1/4波片和物鏡，順次設(shè)置于偏振分光棱鏡反射輸出端后的像散透鏡和光程差棱鏡，設(shè)置于光程差棱鏡光束輸出端后的第一四象限探測器和第二四象限探測器，以及用于檢測處理第一四象限探測器和第二四象限探測器輸出信號的信號處理單元；其中，所述的物鏡相對被測樣品待測面設(shè)置。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高精度激光微位移傳感和定位裝置，其特征在于：所述的光程差棱鏡是由一個立方體分光棱鏡和一個直角棱鏡膠合而成，直角棱鏡的一直角面膠合于立方體分光棱鏡的一正方形面上，所述的立方體分光棱鏡的輸入面相對像散透鏡設(shè)置，立方體分光棱鏡的透射輸出端相對第二四象限探測器設(shè)置，直角棱鏡的另一直角面相對第一四象限探測器設(shè)置。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高精度激光微位移傳感和定位裝置，其特征在于：所述的高精度激光微位移傳感和定位裝置還包括有用于固定并調(diào)整激光光束相對被測樣品表面位移量的三維工作臺。