[发明专利]一种高精度激光微位移传感和定位方法及装置

摘要

本发明公开了一种高精度激光微位移传感和定位方法及装置，通过对两个四象限探测器进行差动探测，然后将差动探测的输出电压信号转换成一个截断差动聚焦误差信号，即一个截断差动聚焦误差信号对应一个位移量，完成将两个四象限探测器探测的电压信号转换为一个截断差动聚焦误差信号的转换，使一个位移量对应一个截断差动聚焦误差信号，并通过最小二乘拟合，得到对应关系函数，最后通过电压信号和位移量的转换，实现三维面型的测量，其测量数据准确，测量精度高。

主权项

一种高精度激光微位移传感和定位方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）、激光束依次经过准直扩束、起偏器后成为p偏振光，p偏振光通过偏振分光棱镜成为测量光束，测量光束经过1/4波片后被物镜聚焦在被测样品的表面上；被测样品表面反射的光束再次通过物镜和1/4波片后，测量光束由p偏振光变为s偏振光，然后被偏振分光棱镜反射进入像散透镜，透过像散透镜的光束再被光程差棱镜分成两束，两束光分别用两个四象限探测器来探测，由于光程差棱镜使两束光束的光程不等，因此两束光经过像散透镜的成像点分别落在两个四象限探测器的前方和后方，形成差动探测，两个四象限探测器的输出信号通过信号处理单元进行处理；（2）、两个四象限探测器形成的差动聚焦误差信号DFES = FES1‑FES2 = [(A1+C1)‑(B1+D1)]/(A1+C1+B1+D1)‑ [(A2+C2)‑(B2+D2)]/(A2+C2+B2+D2)；其中，FES1、FES2分别是两个四象限探测器运算得到的聚焦误差信号，A1、B1、C1、D1是一个四象限探测器的四个象限的输出信号，A2、B2、C2、D2是另一个四象限探测器的四个象限的输出信号；（3）、信号处理单元在四象限探测器四个象限的和信号中，设定一个阈值：当和信号大于该阈值时，将门信号设为1；反之，将门信号设为0；然后信号处理单元将门信号和差动聚焦误差信号做逻辑“与”运算，得到截断差动聚焦误差信号，截断差动聚焦误差信号在其动态范围内具有唯一零点，即截断差动聚焦误差信号与位移量具有单调性，一个截断差动聚焦误差信号对应一个位移量，完成将两个四象限探测器探测的电压信号转换为一个截断差动聚焦误差信号的转换，使一个位移量对应一个截断差动聚焦误差信号；（4）、变换Z轴位移量，使经过物镜聚焦后的激光束由远及近地靠近被测样品的表面，并同时采集截断差动聚焦误差信号和Z轴位移量，直至整个截断差动聚焦误差信号的动态范围全部采集完毕；然后对截断差动聚焦误差信号和Z轴位移量做最小二乘拟合，得到对应关系函数；（5）、对被测样品表面进行X和Y方向的扫描，并同时采集电压信号和X、Y位置的坐标；然后根据关系函数将每一个扫描点X、Y坐标的电压信号转化为Z轴位移量，就得到了被测样品表面的三维面型。