新型全息光学测头的研制

　　一、前　言

　　三维物体形貌的测绘和位移的测量走过了很长的历程。机械探针式的测量方法由于受其接触式测量及扫描速度低等缺点,逐渐被速度快、准确度高、非接触的光学测量方法所代替[4、6]。目前使用的光学测量仪器中多数应用了干涉法[11]、散斑法[12]、离焦法[6、8]和激光三角法[3、10]等原理,但都不同程度地受到因被测面倾斜而给测量结果带来误差的困扰,同时由于光路中使用了大量透镜和分光棱镜,而使得光学测头复杂、昂贵,给仪器的小型化带来困难。近十年来,随着半导体激光器的广泛使用,开始有人尝试用全息光学元件(HOE)代替上述光路中的部分透镜和分光棱镜[5、7],使测头的小型化步入一个新的阶段,但因被测面倾斜所造成的测量误差仍未能得到有效消除,而影响使用准确度。也有人尝试用光投影方法构造系统,得到对被测面倾斜的影响较为满意的抑制效果,但测头仍相当复杂[9]。本文将介绍——种新型计算全息光学测头,该测头通过其中的核心元件一新型全息光学元件(NHOE),有效地消除了被测表面相对光路倾斜对测量结果的影响。同时由于整个测头只有五个光学元件,因而又具有体积小、重量轻、成本低等优点。该测头已申报实用新型专利。

　　NHOE是在HOE基础上设计的,因而有必要先阐述一下HOE的基本原理。

　　二、HOE基本原理

　　利用HOE的测头基本光路如图1所示。该光路由半导体激光器LD、全息光学元件HOE、物镜、四象限光电接收器4PD等四个光学元件组成。当被测面分别位于聚焦点外、聚焦点及聚焦点内等不同位置时, 4PD各个象限接收到的光强分布分别如图1 (a)、(b)、(c)所示。测头输出信号E0按式

　　对4PD四个象限的输出V1、V2、V3、V4运算后得出。

　　图2给出了HOE的结构及其与4PD的关系。HOE由上下独立的两组全息条纹H2、H1组成,其中H2是由从LD发出的球面波(参考光)及从四象限接收器中S1、S3两个象限的边界中点P1发出的球面波(物光)在HOE所在的平面上干涉而得;H1则由从LD发出的球面波(参考光)及由四象限接收器中S2、S4两个象限的边界中点P2发出的球面波(物光)干涉形成。实际制作时,采用的是计算全息方法。设坐标原点在HOE的中心,则每组干涉条纹可按式

　　由计算机计算得出[2]。其中lR、l0分别为参考光和物光发射点离原点的距离;(xR,yR,zR)和(x0,y0,z0)分别为参考光和物光发射点坐标;λ0为光波波长;n则取0,±1,±2。HOE在本系统中实际上起到分光和会聚的双重作用,这可由下面的分析得知。

　　参见图1,当被测面正好位于聚焦点位置(b)时,从LD发出的光束透过HOE,经物镜会聚后,正好聚焦在物体表面上。从物面反射的光束,经物镜会聚成为相当于从LD发出的球面波,照射在HOE上。此时相当于用原参考光的共轭光对全息图进行照明,根据全息成象原理,在这种再现条件下,实象点将与原物点重合[2],也即光束经过HOE后分别聚焦于P1点和P2点如图1(b)。此时式(1)的运算结果E0=0。当被测面位置不与聚焦点重合,离物镜太远时,反射光经HOE分光、会聚后在4PD形成如图1(a)所示的光斑,此时E0<0;而当被测面位置离物镜太近时,在4PD形成的光斑如图1(c)所示,此时E0>0。通过对E0的大小及正负进行运算,就可以计算出被测面的位置。