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专利名称：一种复合式全息激光纳米形貌测量传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种复合式全息激光纳米形貌测量传感器，属于纳米形貌测量技术领域。
背景技术：
纳米尺度复杂结构的零件因其形状、体积、材料、特性多样表现出特殊的形貌，测量精度要求相对较高，对其进行准确测量非常困难。纳米形貌特征属于纳米技术应用领域中需要测量的关键参数，准确的测量结果有助于分析产品的本质特性，质量控制，工艺调整，从而加快生产技术发展的进程。在纳米形貌测量中，传感器的测量准确度和测量范围通常是矛盾的，选取高精度测量的传感器往往由于测量范围的限制严重影响测量仪器的自动化水平。对于测量对象形貌特征复杂的样品，现有这种传感系统限制了测量速度，导致由于测量原理性原因造成的测量周期过长，在测量周期内的环境因素变化，特别是测量温度的变化严重影响测量结果的准确性，寻求解决测量范围和测量准确度的有效统一，解决测量速度瓶颈问题，实现纳米级表面形貌特征的准确测量，是十分重要的研究任务。全息激光读数头内部集成了全息光栅、半导体激光器(LD)、全息传感器等，具有价格低廉、操作简便、测量精度高等特点，目前已经广泛应用于科研、生产与日常生活当中。但由于其测量范围较小，通常只有几个微米，无法满足目前纳米相貌快速准确测量的需要。以全息激光元件为核心，提出复合式全息激光纳米形貌测量传感器设计结构，将测量范围提升与测量精度的保持有机地结合起来，可以有效地利用该传感器配合测量系统提升系统测量的自动控制水平，解决上述纳米形貌测量的技术矛盾。

发明内容
本发明的目的是为了在提高测量系统扫描测量的效率及自动化水平的同时保留其高分辨力及准确度的特性，提出一种复合式全息激光纳米形貌测量传感器。本发明是通过以下技术方案实现的。本发明的一种复合式全息激光纳米形貌测量传感器，由全息激光读数头1、全息激光读数头2、光学组件、显微光学物镜头、测量样板、电气测量系统、CXD摄像机和监视系统组成；其中光学组件实现光线的滤波、准直与分光，包括光学透镜组1、光学透镜组2、调节透镜1、调节透镜2、调节透镜3、分光镜1和分光镜2 ；全息激光读数头1发出的光线经光学透镜组1和调节透镜1后变为平行光，然后经分光镜1、分光镜2和显微光学物镜头后聚焦到测量样板；全息激光读数头2发出的光线经光学透镜组2和调节透镜2后变为平行光，然后经分光镜2和显微光学物镜头后聚焦到测量样板；光线从测量样板反射并经显微光学物镜头后分为三路其中第一路经分光镜2、 分光镜1、调节透镜1和光学透镜组1后达到全息激光读数头1，第二路经分光镜2、调节透
3镜2和光学透镜组2后到达全息激光读数头2，第三路经分光镜2、分光镜1和调节透镜3 后到达CXD摄像机；全息激光读数头1和全息激光读数头2测量返回的光学信号，进行光电转换后输出对应电信号并将电信号送入电气测量系统进行后期处理；CXD摄像机将接收到的光学信号转换为数字的视频信号并送入监视系统；上述全息激光读数头1和全息激光读数头2由光源、全息光栅和全息接收器构成， 三者可采用分体的结构形式，也可采用一体的结构形式；上述全息激光读数头1和全息激光读数头2的光源为红外线、红光、蓝光或者激光等形式；上述全息激光读数头1和全息激光读数头2的光源输出的电信号为数字信号、模拟信号或数字加模拟信号组合的形式；上述全息激光读数头1作为纳米级形貌的精准测量元件，采用全息激光读数头等焦的工作原理，负责提升形貌的测量准确度，用于纳米级准确测量；上述全息激光读数头2采用全息激光读数头离焦的工作原理，负责提升传感器的工作量程；本发明的一种复合式全息激光纳米形貌测量传感器，还可以包含另外的全息激光读数头及其配套的光学透镜组、调节透镜和分光镜三种光学组件，另外的全息激光读数头工作方式与全息激光读数头2的工作方式相同，采用全息激光读数头离焦的工作原理，负责提升传感器的工作量程；本发明的一种复合式全息激光纳米形貌测量传感器，也可以在脱离监视系统的情况下工作，此时系统由全息激光读数头1、全息激光读数头2、光学组件、显微光学物镜头、 测量样板和电气测量系统构成，光学组件包括光学透镜组1、光学透镜组2、调节透镜1、调节透镜2、分光镜1和分光镜2。有益效果本传感器结构简单、关键部件价格低廉，以全息激光元件为核心，提出复合式全息激光纳米形貌测量传感器设计结构，将测量范围提升与测量精度的保持有机地结合起来， 可以有效地利用该传感器配合测量系统提升系统测量的自动控制水平，同时本传感器具有视频监视功能，可以满足多种场合的现场需要。


图1为本发明的结构示意图；其中，1、2分别为全息激光读数头1和全息激光读数头2 ；3、4分别为光学透镜组 1和光学透镜组2 ；5、6、7分别为调节透镜1、调节透镜2和调节透镜3 ；8、9分别为分光镜1 和分光镜2 ;10为CXD摄像机；11为显微光学物镜头；12为测量样板；13为监视系统；14为电气测量系统；图2为实施例中所用的全息激光读数头工作原理示意图；其中，15为激光光源；16为全息光栅；17为分光片；18、19为光学透镜组；20为测量样板；21为全息接收器；图3为实施例中全息激光读数头测量时位移与输出电压的曲线图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。实施例一种复合式全息激光纳米形貌测量传感器，如图1所示，由全息激光读数头1、全息激光读数头2、光学组件、显微光学物镜头、测量样板、电气测量系统、CXD摄像机和监视系统组成；其中光学组件包括光学透镜组1、光学透镜组2、调节透镜1、调节透镜2、调节透镜3、分光镜1和分光镜2 ；全息激光读数头1发出的光线经光学透镜组1和调节透镜1后变为平行光，然后经分光镜1、分光镜2和显微光学物镜头后聚焦到测量样板；全息激光读数头2发出的光线经光学透镜组2和调节透镜2后变为平行光，然后经分光镜2和显微光学物镜头后聚焦到测量样板；光线从测量样板反射并经显微光学物镜头后分为三路其中第一路经分光镜2、 分光镜1、调节透镜1和光学透镜组1后达到全息激光读数头1，第二路经分光镜2、调节透镜2和光学透镜组2后到达全息激光读数头2，第三路经分光镜2、分光镜1和调节透镜3 后到达CXD摄像机；全息激光读数头1和全息激光读数头2测量返回的光学信号，进行光电转换后输出数字信号并送入电气测量系统进行后期处理；CXD摄像机将接收到的光学信号转换为数字的视频信号并送入监视系统；上述全息激光读数头1和全息激光读数头2由光源、全息光栅和全息接收器构成， 三者采用分体的结构形式，其工作原理如图2所示；上述全息激光读数头1和全息激光读数头2的光源为激光；上述全息激光读数头1作为纳米级形貌的精准测量元件，采用全息激光读数头等焦的工作原理，负责提升形貌的测量准确度，用于纳米级准确测量；上述全息激光读数头2采用全息激光读数头离焦的工作原理，负责提升传感器的工作量程；全息激光读数头测量时位移与输出电压的曲线图如图3所示，其中横坐标代表测量样板与全息激光读数头的距离，纵坐标代表其输出的电压值，其中焦点F位置为测量样板正好在全息激光读数头焦点位置，Lf为位移测量的工作范围，Vf为对应位移测量的电压值。以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
权利要求
1.一种复合式全息激光纳米形貌测量传感器，由全息激光读数头1、全息激光读数头 2、光学组件、显微光学物镜头、测量样板、电气测量系统、CXD摄像机和监视系统组成；其中光学组件实现光线的滤波、准直与分光，包括光学透镜组1、光学透镜组2、调节透镜1、调节透镜2、调节透镜3、分光镜1和分光镜2 ；全息激光读数头1发出的光线经光学透镜组1和调节透镜1后变为平行光，然后经分光镜1、分光镜2和显微光学物镜头后聚焦到测量样板；全息激光读数头2发出的光线经光学透镜组2和调节透镜2后变为平行光，然后经分光镜2和显微光学物镜头后聚焦到测量样板；光线从测量样板反射并经显微光学物镜头后分为三路其中第一路经分光镜2、分光镜1、调节透镜1和光学透镜组1后达到全息激光读数头1，第二路经分光镜2、调节透镜2 和光学透镜组2后到达全息激光读数头2，第三路经分光镜2、分光镜1和调节透镜3后到达CXD摄像机；全息激光读数头1和全息激光读数头2测量返回的光学信号，进行光电转换后输出对应电信号并将电信号送入电气测量系统进行后期处理；CCD摄像机将接收到的光学信号转换为数字的视频信号并送入监视系统；上述全息激光读数头1为纳米级形貌的精准测量元件，采用全息激光读数头等焦的工作原理，全息激光读数头2采用全息激光读数头离焦的工作原理。
2.根据权利要求1所述的一种复合式全息激光纳米形貌测量传感器，其特征在于所述全息激光读数头1和全息激光读数头2由光源、全息光栅和全息接收器构成，三者采用分体的结构形式。
3.根据权利要求1所述的一种复合式全息激光纳米形貌测量传感器，其特征在于所述全息激光读数头1和全息激光读数头2由光源、全息光栅和全息接收器构成，三者采用一体的结构形式。
4.根据权利要求1所述的一种复合式全息激光纳米形貌测量传感器，其特征在于所述全息激光读数头1和全息激光读数头2的光源为红外线、红光、蓝光或者激光。
5.根据权利要求1所述的一种复合式全息激光纳米形貌测量传感器，其特征在于所述全息激光读数头1和全息激光读数头2的光源输出的电信号为数字信号、模拟信号或数字加模拟信号组合的形式。
6.根据权利要求1所述的一种复合式全息激光纳米形貌测量传感器，其特征在于包含另外的一个或者一个以上全息激光读数头，以及与每个全息激光读数头配套的光学透镜组、调节透镜和分光镜，另外一个或者一个以上的全息激光读数头工作方式与全息激光读数头2的工作方式相同，采用全息激光读数头离焦的工作原理。
7.根据权利要求1所述的一种复合式全息激光纳米形貌测量传感器，其特征在于所述的一种复合式全息激光纳米形貌测量传感器在脱离监视系统的情况下工作，其中调节透镜3、CXD摄像机和监视系统不再起作用。
全文摘要
本发明涉及一种复合式全息激光纳米形貌测量传感器，属于纳米形貌测量技术领域。由全息激光读数头1、全息激光读数头2、光学组件、显微光学物镜头、测量样板、电气测量系统、CCD摄像机和监视系统组成，其中光学组件实现光线的滤波、准直与分光，包括光学透镜组1、光学透镜组2、调节透镜1、调节透镜2、调节透镜3、分光镜1和分光镜2。本传感器结构简单、关键部件价格低廉，以全息激光元件为核心，提出复合式全息激光纳米形貌测量传感器设计结构，将测量范围提升与测量精度的保持有机地结合起来，可以有效地利用该传感器配合测量系统提升系统测量的自动控制水平，同时本传感器具有视频监视功能，可以满足多种场合的现场需要。
文档编号G01B11/24GK102155922SQ201110053548
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月7日 优先权日2011年3月7日
发明者任冬梅, 张文军, 朱振宇, 李华丰, 焦小康, 王霁 申请人:中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所