三維物體形貌的測繪和位移的測量走過了很長的歷程。機械探針式的測量方法由于受其接觸式測量及掃描速度低等缺點，逐漸被速度快、準(zhǔn)確度高、非接觸的光學(xué)測量方法所代替。目前使用的光學(xué)測量儀器中多數(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面傾斜而給測量結(jié)果帶來誤差的困擾，同時由于光路中使用了大量透鏡和分光棱鏡，而使得光學(xué)測頭復(fù)雜、昂貴，給儀器的小型化帶來困難。

　　近十年來，隨著半導(dǎo)體激光器的廣泛使用，開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，使測頭的小型化步入一個新的階段，但因被測面傾斜所造成的測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)，得到對被測面傾斜的影響較為滿意的抑制效果，但測頭仍相當(dāng)復(fù)雜。本文將介紹——種新型計算全息光學(xué)測頭，該測頭通過其中的核心元件一新型全息光學(xué)元件(NHOE)，有效地消除了被測表面相對光路傾斜對測量結(jié)果的影響。同時由于整個測頭只有五個光學(xué)元件，因而又具有體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點。該測頭已申報實用新型專利。

　　NHOE是在HOE基礎(chǔ)上設(shè)計的，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等四個光學(xué)元件組成。當(dāng)被測面分別位于聚焦點外、聚焦點及聚焦點內(nèi)等不同位置時， 給出了HOE的結(jié)構(gòu)及其與4PD的關(guān)系。HOE由上下獨立的兩組全息條紋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、S3兩個象限的邊界中點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、S4兩個象限的邊界中點P2發(fā)出的球面波(物光)干涉形成。實際制作時，采用的是計算全息方法。設(shè)坐標(biāo)原點在HOE的中心，則每組干涉條紋可按式。

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

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

　　當(dāng)被測面發(fā)生傾斜時，投射到四象限接收器的光斑將產(chǎn)生扭曲，使得測量結(jié)果產(chǎn)生誤差，因而使用該測頭時，要求被測面相對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，我們在此HOE原理基礎(chǔ)上，設(shè)計了NHOE。

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

　　在此光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)物面沒有傾斜時，照明光在物面上形成的兩個光點O1、O2相對于物鏡的距離相等，從兩個光點反射的光束在4-PD各個象限的形成的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4-PD上接收到的光斑與使用HOE時的結(jié)果一樣，根據(jù)前面分析過的HOE的測量原理，可以很容易地通過E0的正負(fù)和大小計算出物面的位置。當(dāng)物面有傾斜時，光點O1、O2相對于物鏡的距離將一個增大，另一個減小，這將導(dǎo)致由兩個光點的反射光在4-PD各個象限的形成的光斑大小也將一個增大，另一個減小。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位置時的4-PD上接收到的光斑情況。由圖5中任一行可以看出，經(jīng)過式(1)對四個象限的輸出進行運算后，物面有傾斜時的輸出信號E0與物面位于同樣位置時無傾斜情況下的E0相同，即測量結(jié)果相同。也就是說，通過兩個光點在同一個PD上成像，消除了物面傾斜對測量結(jié)果的影響，起到了自動補償?shù)淖饔谩?/p>

　　NHOE的五組條紋可由計算機按式(2)運算后產(chǎn)生。其中H1是由斜光波W1(參考光)及從P1點發(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倍后通過電子束刻蝕在基片上，再由照相復(fù)印機縮小制作實際的NHOE。

　　二、結(jié)束語

　　本文在HOE的基礎(chǔ)之上，設(shè)計了一種新型全息光學(xué)測頭。這種測頭通過其中的關(guān)鍵部件——新型全息光學(xué)元件(NHOE)，巧妙地將被測表面的兩個測點的信息綜合在一個接收器上，利用自補償原理，消除了被測表面相對光軸

　　傾斜對測量結(jié)果的影響。由于這種全息光學(xué)測頭除了具備一般光學(xué)測量系統(tǒng)的優(yōu)良特性外，還具有體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點，因而可以用于高精度測量系統(tǒng)。當(dāng)然，目前的這種光學(xué)測頭只能補償一維方向的傾斜，為了使測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量結(jié)果，還必須對NHOE進一步改進，因此也將更加復(fù)雜。