三維物體形貌的測(cè)繪和位移的測(cè)量走過(guò)了很長(zhǎng)的歷程。機(jī)械探針式的測(cè)量方法由于受其接觸式測(cè)量及掃描速度低等缺點(diǎn)，逐漸被速度快、準(zhǔn)確度高、非接觸的光學(xué)測(cè)量方法所代替。目前使用的光學(xué)測(cè)量?jī)x器中多數(shù)應(yīng)用了干涉法、散斑法、離焦法和激光三角法等原理，但都不同程度地受到因被測(cè)面傾斜而給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差的困擾，同時(shí)由于光路中使用了大量透鏡和分光棱鏡，而使得光學(xué)測(cè)頭復(fù)雜、昂貴，給儀器的小型化帶來(lái)困難。

　　近十年來(lái)，隨著半導(dǎo)體激光器的廣泛使用，開(kāi)始有人嘗試用全息光學(xué)元件(HOE)代替上述光路中的部分透鏡和分光棱鏡，使測(cè)頭的小型化步入一個(gè)新的階段，但因被測(cè)面傾斜所造成的測(cè)量誤差仍未能得到有效消除，而影響使用準(zhǔn)確度。也有人嘗試用光投影方法構(gòu)造系統(tǒng)，得到對(duì)被測(cè)面傾斜的影響較為滿意的抑制效果，但測(cè)頭仍相當(dāng)復(fù)雜。本文將介紹——種新型計(jì)算全息光學(xué)測(cè)頭，該測(cè)頭通過(guò)其中的核心元件一新型全息光學(xué)元件(NHOE)，有效地消除了被測(cè)表面相對(duì)光路傾斜對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。同時(shí)由于整個(gè)測(cè)頭只有五個(gè)光學(xué)元件，因而又具有體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)。該測(cè)頭已申報(bào)實(shí)用新型專(zhuān)利。

　　NHOE是在HOE基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，因而有必要先闡述一下HOE的基本原理。

　　一、HOE基本原理

　　該光路由半導(dǎo)體激光器LD、全息光學(xué)元件HOE、物鏡、四象限光電接收器4PD等四個(gè)光學(xué)元件組成。當(dāng)被測(cè)面分別位于聚焦點(diǎn)外、聚焦點(diǎn)及聚焦點(diǎn)內(nèi)等不同位置時(shí)， 給出了HOE的結(jié)構(gòu)及其與4PD的關(guān)系。HOE由上下獨(dú)立的兩組全息條紋H2、H1組成，其中H2是由從LD發(fā)出的球面波(參考光)及從四象限接收器中S1、S3兩個(gè)象限的邊界中點(diǎn)P1發(fā)出的球面波(物光)在HOE所在的平面上干涉而得；H1則由從LD發(fā)出的球面波(參考光)及由四象限接收器中S2、S4兩個(gè)象限的邊界中點(diǎn)P2發(fā)出的球面波(物光)干涉形成。實(shí)際制作時(shí)，采用的是計(jì)算全息方法。設(shè)坐標(biāo)原點(diǎn)在HOE的中心，則每組干涉條紋可按式。

　　由計(jì)算機(jī)計(jì)算得出。其中l(wèi)R、l0分別為參考光和物光發(fā)射點(diǎn)離原點(diǎn)的距離；(xR，yR，zR)和(x0，y0，z0)分別為參考光和物光發(fā)射點(diǎn)坐標(biāo)；λ0為光波波長(zhǎng)；n則取0，±1，±2。HOE在本系統(tǒng)中實(shí)際上起到分光和會(huì)聚的雙重作用，這可由下面的分析得知。

　　當(dāng)被測(cè)面正好位于聚焦點(diǎn)位置(b)時(shí)，從LD發(fā)出的光束透過(guò)HOE，經(jīng)物鏡會(huì)聚后，正好聚焦在物體表面上。從物面反射的光束，經(jīng)物鏡會(huì)聚成為相當(dāng)于從LD發(fā)出的球面波，照射在HOE上。此時(shí)相當(dāng)于用原參考光的共軛光對(duì)全息圖進(jìn)行照明，根據(jù)全息成象原理，在這種再現(xiàn)條件下，實(shí)象點(diǎn)將與原物點(diǎn)重合，此時(shí)式(1)的運(yùn)算結(jié)果E0=0。當(dāng)被測(cè)面位置不與聚焦點(diǎn)重合，離物鏡太遠(yuǎn)時(shí)，反射光經(jīng)HOE分光、會(huì)聚后在4PD形成如圖1(a)所示的光斑，此時(shí)E0<0；而當(dāng)被測(cè)面位置離物鏡太近時(shí)，在4PD形成的光斑如圖1(c)所示，此時(shí)E0>0。通過(guò)對(duì)E0的大小及正負(fù)進(jìn)行運(yùn)算，就可以計(jì)算出被測(cè)面的位置。

　　當(dāng)被測(cè)面發(fā)生傾斜時(shí)，投射到四象限接收器的光斑將產(chǎn)生扭曲，使得測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差，因而使用該測(cè)頭時(shí)，要求被測(cè)面相對(duì)光軸的傾斜角度在幾度范圍之內(nèi)，才能保證得到合理的結(jié)果。為了使測(cè)頭能在物面具有較大傾斜范圍內(nèi)依然保持良好的線性關(guān)系，我們?cè)诖薍OE原理基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了NHOE。

　　NHOE由五組獨(dú)立的全息條紋H1～H5組成，各部分功能說(shuō)明如下。從LD發(fā)出的光束經(jīng)準(zhǔn)直后，平行照射在NHOE上，通過(guò)H5把其分成兩斜光束W1、W2，經(jīng)物鏡會(huì)聚后在物面上形成兩個(gè)光點(diǎn)O1和O2，如圖4所示。從O1點(diǎn)反射的光由H1、H3再次分束、會(huì)聚后，分別在P2點(diǎn)和P1點(diǎn)成像。由于H1或H3只占整個(gè)圓形NHOE的1/4，因而從O1點(diǎn)反射的光經(jīng)H1、H3后在P2點(diǎn)和P1點(diǎn)所成的像也只是圓光斑的1/4，如圖5所示。同樣道理，從O2點(diǎn)反射的光則經(jīng)H2、H4分束、會(huì)聚后，分別在P2點(diǎn)和P1形成1/4的圓光斑。這樣就把被測(cè)面上兩個(gè)不同測(cè)點(diǎn)的信息用同一個(gè)接收器接收，由下面的分析可知，這將有助于消除物面傾斜對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

　　在此光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)物面沒(méi)有傾斜時(shí)，照明光在物面上形成的兩個(gè)光點(diǎn)O1、O2相對(duì)于物鏡的距離相等，從兩個(gè)光點(diǎn)反射的光束在4-PD各個(gè)象限的形成的1/4圓光斑大小一樣，正好拼湊成一1/2的圓光斑，如圖5第一列所示，因而此時(shí)4-PD上接收到的光斑與使用HOE時(shí)的結(jié)果一樣，根據(jù)前面分析過(guò)的HOE的測(cè)量原理，可以很容易地通過(guò)E0的正負(fù)和大小計(jì)算出物面的位置。當(dāng)物面有傾斜時(shí)，光點(diǎn)O1、O2相對(duì)于物鏡的距離將一個(gè)增大，另一個(gè)減小，這將導(dǎo)致由兩個(gè)光點(diǎn)的反射光在4-PD各個(gè)象限的形成的光斑大小也將一個(gè)增大，另一個(gè)減小。圖5第二列、第三列給出了物面在不同方向傾斜下位于各個(gè)位置時(shí)的4-PD上接收到的光斑情況。由圖5中任一行可以看出，經(jīng)過(guò)式(1)對(duì)四個(gè)象限的輸出進(jìn)行運(yùn)算后，物面有傾斜時(shí)的輸出信號(hào)E0與物面位于同樣位置時(shí)無(wú)傾斜情況下的E0相同，即測(cè)量結(jié)果相同。也就是說(shuō)，通過(guò)兩個(gè)光點(diǎn)在同一個(gè)PD上成像，消除了物面傾斜對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，起到了自動(dòng)補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

　　NHOE的五組條紋可由計(jì)算機(jī)按式(2)運(yùn)算后產(chǎn)生。其中H1是由斜光波W1(參考光)及從P1點(diǎn)發(fā)出的球面波(物光)在NHOE所在的平面上形成的干涉條紋；H2是由斜光波W2(參考光)及從P1點(diǎn)發(fā)出的球面波(物光)形成的干涉條紋；同樣原理，H3、H4分別由參考光W1、W2與從P2點(diǎn)發(fā)出的球面波(物光)干涉而得；H5的產(chǎn)生方法則有所不同，它以平行光波W3為參考光，以W1或W2為物光。全息條紋放大10～20倍后通過(guò)電子束刻蝕在基片上，再由照相復(fù)印機(jī)縮小制作實(shí)際的NHOE。

　　二、結(jié)束語(yǔ)

　　本文在HOE的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了一種新型全息光學(xué)測(cè)頭。這種測(cè)頭通過(guò)其中的關(guān)鍵部件——新型全息光學(xué)元件(NHOE)，巧妙地將被測(cè)表面的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的信息綜合在一個(gè)接收器上，利用自補(bǔ)償原理，消除了被測(cè)表面相對(duì)光軸

　　傾斜對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。由于這種全息光學(xué)測(cè)頭除了具備一般光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)良特性外，還具有體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而可以用于高精度測(cè)量系統(tǒng)。當(dāng)然，目前的這種光學(xué)測(cè)頭只能補(bǔ)償一維方向的傾斜，為了使測(cè)頭在物面即使具有兩維方向的傾斜情況下也能得到較為滿意的測(cè)量結(jié)果，還必須對(duì)NHOE進(jìn)一步改進(jìn)，因此也將更加復(fù)雜。