[发明专利]一种高精度激光微位移传感和定位方法及装置

权利要求书

1.一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。

2.一种高精度激光微位移传感和定位装置，其特征在于：包括有激光二极管，相对激光二极管输出端设置的聚焦透镜，顺次设置于聚焦透镜后端的准直透镜、起偏器和偏振分光棱镜，顺次设置于偏振分光棱镜透射输出端后的1/4波片和物镜，顺次设置于偏振分光棱镜反射输出端后的像散透镜和光程差棱镜，设置于光程差棱镜光束输出端后的第一四象限探测器和第二四象限探测器，以及用于检测处理第一四象限探测器和第二四象限探测器输出信号的信号处理单元；其中，所述的物镜相对被测样品待测面设置。

3.根据权利要求2所述的一种高精度激光微位移传感和定位装置，其特征在于：所述的光程差棱镜是由一个立方体分光棱镜和一个直角棱镜胶合而成，直角棱镜的一直角面胶合于立方体分光棱镜的一正方形面上，所述的立方体分光棱镜的输入面相对像散透镜设置，立方体分光棱镜的透射输出端相对第二四象限探测器设置，直角棱镜的另一直角面相对第一四象限探测器设置。

4.根据权利要求2所述的一种高精度激光微位移传感和定位装置，其特征在于：所述的高精度激光微位移传感和定位装置还包括有用于固定并调整激光光束相对被测样品表面位移量的三维工作台。