[发明专利]用于表面形貌测量的位移传感器

说明书

本发明的位移传感器用于表面形貌及轮廓的测量。

对于表面形貌测量，当前存在触针式接触测量和光学式非接触测量两种方式，前者测量可靠，但可能对被测表面造成损害，且测量时间过长；后者由于是非接触测量，对易损害的被测表面尤为合适，而且测量速度快，但也存在对表面倾斜、反射率及表面微观形貌敏感等问题。J.Kagami et al，Measurement of Surface profiles by thefocusing method，Wear，134，2，PP221-230，1989一文所提供的聚焦探测技术，是一种光学式非接触测量仪器，包括激光器和依次置放在光路上的偏振分光镜、λ/4波片、位移装置及与其相联接的物镜，正对偏振λ/4分光镜放置光电路转换器，入射光通过偏振分光镜和λ/4波片，由物镜聚焦为一光点至被测工件表面，反射光返回并透射至偏振分光镜、经光电转换器转换为电信号，再经自动聚焦控制电路、驱动电路控制位移装置，使得物镜焦点在扫描测量时始终落在被测工件表面上，物镜的移动描述了表面形貌信息，可由计算机进行处理。当用户面对不同的表面形貌测量时，单一的接触式触针测量或单一的光学非接触测量可能均难以满足要求，而同时备有两台不同方式的测量仪器又将大大增加用户经济负担和使用不便。

本发明的目的在于提供一种用于表面形貌测量的位移传感器，它由固定部分和可拆卸部分构成，固定部分可实现光学式非接触测量，而装上可拆卸部分又可实现接触式测量，因而使一台仪器同时具备接触和非接触两种测量手段，降低仪器成本，扩大应用范围。本发明用于表面形貌测量的位移传感器，包括激光器和依次置放在光路上的偏振分光镜、λ/4波片、位移装置及与其相联接的物镜，所述偏振分光镜与光路成45°角，正对偏振分光镜与光路垂直放置聚焦透镜、其焦点处放置光电转换器，光电转换器与自动聚集控制电路、驱动电路、所述位移装置顺序通过电信号联接，上述各组成部分均固定于一壳体内，其特征在于：

(1)所述壳体正对光路和物镜处开有通光孔，

(2)在通光孔处通过螺纹或紧固螺钉联接可拆卸测头，

(3)可拆卸测头由管状外壳及其内部一端带有触针、另一端固接反射镜的测杆构成。

本发明用于表面形貌测量的位移传感器，所述测杆可以通过固定于杆身的簧片和管状外壳柔性联接，所述触针直径可以为0.5μm～2μm。

上述用于表面形貌测量的位移传感器，所述位移装置可以为步进电机、音圈电机、直线电机或压电陶瓷。

本发明的传感器利用可拆卸测头的触针——反射镜测杆结构，将激光聚集光束直接在被测工件表面扫描转换为对测杆上固接的反射镜扫描，从而实现了接触式测量，垂直测量范围1mm，垂直测量分辨率3nm，远远高于一般接触式垂直测量分辨率10nm的精度；取下可拆卸测头，就实现了非接触测量，垂直测量范围1mm，垂直测量分辨率亦达10nm，该传感器测量精度高、工作稳定可靠、使用灵活，在一台仪器上同时能进行接触测量和非接触测量，降低仪器成本，可广泛应用于研究机构和工业现场的表面形貌测量。

以下结合附图对本发明进一步说明。

图1为本发明位移传感器各组成部分示意图。

图2为本发明的可拆卸测头部分的示意图。

图3为本发明用于接触测量方式的示意图。

图4为本发明用于非接触测量方式的示意图。

构成图1所示传感器的一种实施方式为：激光器1采用2mw半导体激光器、波长0.68μm，偏振分光镜2、λ/4波片3、与音圈电机5相联的物镜4均依次置放在光路上；反射镜6和触针7装于可拆卸测头内，11为被测工件，返回光则经过偏振分光镜2和透镜8到光电转换器9成为电信号，再经过自动聚焦控制电路10和驱动电路控制音圈电机5移动，使物镜4的光束始终聚焦在反射镜6的表面或者被测工件11表面上。

图2表示的可拆卸测头由管状外壳12及可在其内部移动的一端带有触针7、另一端固接反射镜6的测杆13构成，测杆13通过杆身固定的簧片15和管状外壳12柔性联接，在实际中采用的一种触针为直径2μm金刚石触针。

图3表示本发明用于接触测量方式，可拆卸测头21通过丝杆和调节螺钉与传感器壳体20联接，传感器壳体20又可通过丝杆和调节螺钉安装在立柱25上，被测工件11置放于Y工作台22和X工作台23上，并整体放在平台24上，立柱和平台垂直连接。

图4表示本发明用于非接触测量方式，与图3区别仅在于将可拆卸测头21从传感器壳体20卸下。