专利名称：非接触式激光干涉比较仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于机械几何测量技术及仪器。
目前国内外用于测量长度的光学比较仪都是接触式的。如JD3投影立式光学计，这些测量仪器测量时，测头都要与被测工件表面接触，这样就会使被测工件表面受到损伤，某些表面光洁度要求高的工件，采用接触式比较仪测量就受到了一定的限制。
本实用新型的目的是研制一种非接触式的干涉比较仪，以确保测量时不损伤被测工件的表面。
本实用新型的构成是采用临界角法非接触光触针定位，和迈克尔逊干涉测量系统及光电转换数字自动显示系统。
结合
本实用新型的原理及具体结构如下图1是临界角法非接触光触针定位原理图。
当被测表面(1)位于物镜(2)的焦点B处时，从物面反射回来的光束通过物镜(2)后变为平行光，再经过临界角全反射棱镜(3)后，因为平行光束在棱镜的反射面上恰好符合全反射临界角入射，使出射光仍为平行光束。这束光被光电元件D和E接收，其光强相等；经电路差分处理后输出为零，即ID－IE＝0。
当被测表面处于焦点前A处时，从物面反射光束经物镜(2)后为汇聚光。这样位于光轴上方的光，其入射角大于全反射临界角；这部分光以全反射的形式入射到光电接收元件D上。而光轴下方的光，其入射角小于全反射临界角故只能有部分光被反射进入光电接收元件E上。这时D上光强大于E上光强，即ID－IE＞0。相反，当被测表面处于C处时，从物面反射回来的光束经物镜(2)后为发散光。这时位于光轴上方的光，其入射角小于全反射临界角，所以只有部分光被反射到光电接收元件D上。而位于光轴下方的光，其入射角大于全反射临界角，以全反射的形式进入光电接收元件E上；这时E上的光强大于D上的光强，即ID－IE＜0。从上面分析，不难看出，随着被测表面位置的变化，入射到光电元件D和E上的光强会产生差别，只要被测表面离开焦点，D、E二个光电接收元件收到的光强之差不等于零。相反，如果被测表面处于焦点处时，D、E光电元件接收到的光强相等，其差为零。检测两光电元件的输出信号，即可对被测工件定位。
图2为非接触式激光干涉比较仪原理图。激光管(6)发出的光束经准直系统(7)后成为平行光束，该激光束经分光镜(8)分成二束光，一束光穿过(8)进入临界角非接触定位系统的棱镜(15)；另一束光经反射后进入迈克尔逊干涉系统，这束光经分光镜(9)后，又分成二束光；一束光到达固定反射镜(10)并反回到分光镜(9)上，另一束光到达动反射镜(11)上，反回后也到达分光镜(9)上，并与从(10)反回的光束汇合而发生干涉，产生明暗相间的干涉条纹。该明暗相间的条纹经(9)反射通过分光镜(12)分成二部分，一部分透过分光镜(12)被光电元件A接收，另一部分反射后被光电元件B接收，光电元件A和B被布置成信号相位差90°。当动反射镜(11)上、下移动时，使由固定反射镜(10)及动反射镜(11)上反射向分光镜(9)的二束光的光程差发生改变，所以使干涉后的干涉条纹发生移动。光电元件A、B接收到条纹移动信号经处理后，即可知条纹移动的数量，由条纹移动数按公式L＝ (λ)/2 N即可求得动反射镜(11)移动的距离，式中L为移动距离，λ为光波波长，N为条纹移动数。
进入棱镜(15)的光束经反射后经过1／2λ波片(16)成为线偏振光，进入棱镜(17)后反射，经过1／4λ波片(18)转向，再透过物镜(19)达到被测表面，被被测表面反射后，经过物镜(19)，1／4λ波片(18)再透过棱镜(17)进入棱镜(20)经分光棱镜(21)，一束光反射进入棱镜(22)最后被光电元件F、G接收。另一束光透过分光棱镜(21)进入棱镜(25)被光电元件D、E接收，如被测表面在物镜(19)的焦点上，则按前述非接触光触针定位原理，光电元件D、E、F、G中的光强应满足ID－IE＝0，IF－IG＝0亦即(ID－IE)＋(IF－IG)＝0。如被测表面不在物镜(19)的焦点上，则ID－IE≠0，IF－IG≠0，∴(ID－IE)＋(IF－IG)≠0。
在处理时此公式转化为(ID＋IF)－(IE＋IG)＝0，因此只要检测光电元件D、E、F、G的电信号，即可对被测表面定位。
图3为光电接收及读数处理显示系统框图。
由光电元件A、B接收的信号经放大、整形、辨向及倍频，(图6为放大、整形、倍频、辨向线路原理图)，经小数有理化处理后，经可逆计数器可在显示器上显示接收的条纹数(即移动距离)，图7为可逆计数器及显示部分之一位线路原理图。
光电元件D、E、F、G接收的信号，按前述公式(ID＋IF)－(IE＋IG)＝0的判断要求进行处理。D、F的信号经放大求和再与E、G的信号经放大求和后的值求差，其值经归化后与公式(ID＋IF)－(IE＋IG)＝0的条件进行比较如满足该条件则控制显示器显示测量的移动距离值。
图4为非接触式激光干涉比较仪的结构示意图。
仪器由底座(28)为基础，在其上固定升降丝杠(29)及工作平台(30)，在升降丝杠(29)上安装有螺母(31)，螺母(31)与安装有定位系统元件及干涉系统元件的支承板(33)相连，松开夹紧手把(32)后，可转动螺母(31)使支承板(33)上下移动，以调整测量装置的初始位置。在支承板(33)上装有小丝杠(36)，在小丝杠(36)上装有螺母(35)并用螺钉与滑动板(34)相连，小丝杠(36)可通过手摇柄(37)，伞齿轮付(38)作旋转运动。小丝杠(36)的旋转运动带动螺母(35)上、下移动，从而可以使滑动板(34)作上、下运动，作为测量时的微调。
在支承板(33)上部用支架(39)安装激光管(40)，在激光管下方通过物镜支架(41)安装透镜(42)、(43)(为市售显微镜物镜)构成准直系统。
在支承板(33)中部安装有干涉系统的反射镜(44)，分光镜(45)、(46)、(47)，光电元件A、B。
在滑动板(34)上装有棱镜调节架(48)，在棱镜调节架(48)上装有三角棱镜(49)，在滑动板(34)上还安装有1／2λ波片(50)，1／4λ波片(51)，物镜(52)，偏振棱镜(53)，棱镜(54)，斜棱镜(55)，棱镜(53)、(54)、(55)胶合在一起并通过压板(56)固定在滑动板(34)上。在滑动板(34)上还安装有临界角棱镜(57)，动反射镜(58)及光电元件(D)、(E)、(F)、(G)。
光电元件A、B为一般的光电二极管，光电元件D、E及F、G为二象限光电池，每一个二象限光电池组成二个光电接收元件。
图5为光电信号ID、IE、IF、IG的处理线路原理图。
图6为光电信号IA、IB的放大、整形、倍频、辨向线路原理图。
图7为可逆计数器及显示部分线路原理图。
本实用新型仪器的优点是1.可进行非接触式测量，对高精度表面或非金属材料表面进行比较测量时，不会损伤被测表面。
2.测量精度高，＜0.1μm，定位精度为0.01μm。
3.操作方便，测量结果自动显示。
4.可作比较测量，也可作绝对尺寸测量。
权利要求一种非接触式激光干涉比较仪，其特征是采用临界角法非接触光触针定位和迈克尔逊干涉系统定位及光电转换数字显示系统组成，其具体结构是在仪器底座(28)上固定升降丝杠(29)及工作平台(30)，在上述升降丝杠(29)上安有螺母(31)，螺母(31)与支承板(33)刚性相连，支承板(33)上部用支架(39)安装激光管(40)，激光管光路下方安装有透镜(42)、(43)，在支承板(33)中部安装有反射镜(44)，分光镜(45)、(46)、(47)，光电元件A、B构成一光路系统，在支承板(33)下部安装有小丝杠(36)，在上述小丝杠(36)上部装有螺母(35)，螺母(35)用螺钉与滑动板(34)相连，小丝杠(36)上部有伞齿轮付(38)，该伞齿轮付(38)由手柄(37)驱动，滑动板(34)上装有棱镜调节架(48)，在上述棱镜调节架(48)上装有三角棱镜(49)，在该棱镜调节架(48)前方(左方)装有1/2λ波片(50)，在该1/2λ波片(50)左方装有胶合在一起的偏振棱镜(53)、棱镜(54)、斜棱镜(55)，在偏振棱镜(53)下方装有1/4λ波片(51)及物镜(52)，在棱镜(54)上方装有临界角棱镜(57)及动反射镜(58)，光电元件D、E，在棱镜(54)右方装有临界角棱镜(57)及光电元件F、G，上述光学元件及光电元件与激光管(40)构成一光路系统。
专利摘要一种非接触激光干涉比较仪，采用临界角法非接触光触针定位，和迈克尔逊干涉测量系统及光电转换数字显示系统，在测量时测头不接触工件表面，对高精度或非金属材料表面进行比较测量时，不会损坏被测表面，同时测量结果可自动显示，测量精度高、操作方便。
文档编号G01B11/02GK2045841SQ8920212
公开日1989年10月11日 申请日期1989年3月3日 优先权日1989年3月3日
发明者刘兴占 申请人:清华大学