專利名稱：用于蔭罩的橢圓激光探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)具有類似尺寸小孔的陣列的材料的小孔尺寸測(cè)量，特別涉及對(duì)陰極射線管蔭罩小孔尺寸的測(cè)量。
將蔭罩用于粉色顯示管中，以保證在發(fā)光屏上正確地再現(xiàn)目標(biāo)顏色。一種蔭罩類型為薄金屬板材制成，在其上切割有基本平行的狹縫縱列。在縱列中的狹縫被連接帶隔開(kāi)，一般為具有倒圓角的矩形形狀。相鄰的狹縫縱列相互偏移以使在一縱列中的狹縫中心與相鄰縱列的連接帶中心對(duì)齊。其它類蔭罩具有別的小孔形狀，包括所有縱列小孔，與狹縫列相同，但連接帶不同；和在金屬板材上按行列排列的圓形小孔。
為保證良好的蔭罩質(zhì)量，已發(fā)展了大量技術(shù)來(lái)測(cè)量各種小孔尺寸。在最常用的方法中，通過(guò)向蔭罩一側(cè)投射光束，研究在蔭罩另一側(cè)的透過(guò)光來(lái)測(cè)量小孔。在現(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)激光與蔭罩相交時(shí)，激光束總是具有圓形橫斷面。在某些方法中，使該圓形激光束足夠大，以覆蓋幾個(gè)小孔。由于光束如此之大，因此從該系統(tǒng)僅能獲得關(guān)于小孔的大部分的平均尺寸。大光束并不能提供關(guān)于指定小孔特定區(qū)域的任何詳細(xì)的信息。
另一種方法使用比指定小孔的最小可測(cè)尺寸更小的圓形光束。當(dāng)蔭罩橫向移動(dòng)時(shí)小光束沿一方向掠過(guò)蔭罩。當(dāng)激光點(diǎn)橫掃過(guò)蔭罩時(shí)，在蔭罩另一側(cè)的光傳感器測(cè)量透過(guò)光強(qiáng)度。為計(jì)算小孔尺寸，該方法將蔭罩劃分為方塊，使各小孔具有多個(gè)方塊。為掃描整個(gè)小孔，小光束必須多次橫掃過(guò)小孔，同時(shí)蔭罩橫向移動(dòng)。在掃描一大組方塊之后，通過(guò)比較各方塊相對(duì)強(qiáng)度可測(cè)量各小孔尺寸。該系統(tǒng)要求既有大量的存儲(chǔ)單元以追蹤各方塊的強(qiáng)度，又有均勻掃描蔭罩的能力。
本發(fā)明是一種測(cè)量板材上小孔的激光探頭系統(tǒng)。該系統(tǒng)用具有較大長(zhǎng)軸和很小的短軸的激光束照射部分板材。從板材透過(guò)的光顯示出小孔尺寸。
本發(fā)明特別適于測(cè)量蔭罩小孔尺寸。由于橢圓形光束的短軸一次僅覆蓋部分小孔，因而橢圓形光束提供比覆蓋整個(gè)小孔的較大圓形光束更精確的測(cè)量。此外，由于橢圓形激光束的長(zhǎng)軸跨過(guò)幾個(gè)小孔，因此，它不必像小圓形光束那樣在板材上掃描。
橢圓形光束可供測(cè)量圓形小孔直徑，測(cè)量縱列小孔的寬度，以及至少進(jìn)行狹縫小孔的三種不同的測(cè)量狹縫端附近的縫寬度；狹縫中心處的縫寬度；和平均光透過(guò)率。
通過(guò)確定透過(guò)光的最大強(qiáng)度值，來(lái)測(cè)量靠近狹縫端點(diǎn)的縫寬度。當(dāng)將橢圓形光束在其長(zhǎng)軸內(nèi)入射在各縱列狹縫的整個(gè)狹縫上時(shí)，出現(xiàn)該最大值。在出現(xiàn)該最大值時(shí)，橢圓形激光的任何部分都未入射在倒圓角處和連接帶上。用本發(fā)明，在板材移過(guò)激光束的顯著時(shí)間周期內(nèi)，光束強(qiáng)度值保持在最大值不變。該恒定的強(qiáng)度值由跨過(guò)并未碰撣倒角處的相對(duì)較長(zhǎng)距離的較小光束短軸而引起。用該恒定的強(qiáng)度值除以總強(qiáng)度，并用在相鄰縱列中心間的距離乘該結(jié)果就得到被照射狹縫在端點(diǎn)附近的平均寬度。
測(cè)量在狹縫中心的縫寬度類似于在端點(diǎn)附近的縫寬度測(cè)量，只是光束僅照射每隔縱列狹縫的中心。在照射的狹縫縱列之間的連接帶被橢圓形光束照射。由于具有端點(diǎn)測(cè)量，所以使光束的短軸較小，以致在板材上存在光束并不與之相交的任何狹縫的倒角端區(qū)域。由于板材移動(dòng)，該區(qū)域產(chǎn)生透過(guò)光強(qiáng)度的恒定最小值。該恒定最小值除以入射光總強(qiáng)度，并用在相鄰縱列中心間距離的兩倍乘該結(jié)果，就得到被照射狹縫在其中心的平均寬度。


圖1是本發(fā)明激光探頭的分解方框圖；圖2是表示由橢圓形激光束產(chǎn)生的照射帶的典型蔭罩的部分區(qū)域；圖3A是當(dāng)具有狹縫小孔的蔭罩移過(guò)橢圓形激光束時(shí)的透過(guò)光強(qiáng)度的曲線，該曲線的位置與產(chǎn)生該強(qiáng)度值的蔭罩的位置相對(duì)應(yīng)；圖3B是條狀蔭罩移經(jīng)橢圓形激光束時(shí)的透過(guò)光強(qiáng)度曲線，該曲線的位置與產(chǎn)生該強(qiáng)度值的蔭罩的位置相對(duì)應(yīng)；圖3C是點(diǎn)狀蔭罩移經(jīng)橢圓形激光束時(shí)的透過(guò)光強(qiáng)度曲線，該曲線的位置與產(chǎn)生該強(qiáng)度值的蔭罩的位置相對(duì)應(yīng)；圖4是橢圓形激光探測(cè)系統(tǒng)的側(cè)視圖5是橢圓形激光束73的橫截面圖；圖6是光束放大光學(xué)系統(tǒng)72的一實(shí)施例的側(cè)視圖；圖7是圖6所示光束放大光學(xué)系統(tǒng)的俯視圖；圖8是光束放大光學(xué)系統(tǒng)72的第二實(shí)施例的側(cè)視圖；圖9是圖8所示光束放大光學(xué)系統(tǒng)的俯視圖；圖1是本發(fā)明橢圓形激光探測(cè)器20和蔭罩22的分解框圖。橢圓激光器24產(chǎn)生大量的橢圓形激光束26A、26B、26C、26D、26E、26F和26G。橢圓形激光束26A至26G入射在蔭罩22上，穿過(guò)蔭罩22上小孔(未示出)的光束部分分別形成透過(guò)光束28A、28B、28C、28D、28E、28F和28G。實(shí)際上，蔭罩22沿與橢圓激光束26A至26G的傳播方向垂直的方向移動(dòng)。對(duì)于某些類型的蔭罩，該移動(dòng)使透過(guò)光束28A至28G隨蔭罩上的小孔移過(guò)橢圓形激光束26A至26G而相應(yīng)地發(fā)生變化。
柱面透鏡29A、29B、29C、29D、29E、29F和29G分別使透過(guò)光束28A至28G射向光電管30A、30B、30C、30D、30E、30F和30G。當(dāng)光電管吸收來(lái)自透過(guò)光束28A至28G的光時(shí)，使各光電管產(chǎn)生每所吸收的光量相關(guān)的電流。
將光電管30A至30G分別單獨(dú)地耦合到將光電管產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換為電壓的互阻抗放大器32A、32B、32C、32D、32E、32F和32G。此外，將互阻抗放大器32H耦合到固定在橢圓邀光器24中的光電管。該光電管在下文中將進(jìn)一步說(shuō)明，它吸收具有與入射到蔭罩22上的各橢圓形激光束26A至26G大體相同強(qiáng)度的參考激光束。因此，來(lái)自該光電管的電流是表示入射到蔭罩22上的各激光束強(qiáng)度的參考電流?；プ杩狗糯笃?2H將該參考電流轉(zhuǎn)換為參考電壓。
將互阻抗放大器32A至32H的輸出輸入多端口多路轉(zhuǎn)換器/模一數(shù)轉(zhuǎn)換器34。多路轉(zhuǎn)換器/轉(zhuǎn)換器34將來(lái)自互阻抗放大器32A至32H的各模擬信號(hào)多路傳輸?shù)揭粋€(gè)信號(hào)線上，然后將多路傳輸?shù)哪M信號(hào)轉(zhuǎn)換為一系列的十二位數(shù)字字。在最佳實(shí)施例中，多路轉(zhuǎn)換器/轉(zhuǎn)換器34每秒對(duì)各模擬信號(hào)采樣12,000次，并將這樣的各采樣轉(zhuǎn)換為十二位數(shù)字字。多路轉(zhuǎn)換器/轉(zhuǎn)換器34將對(duì)模擬信號(hào)采樣和轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的一系列十二位數(shù)字字送入與計(jì)算機(jī)中心處理裝置(CPU)36相連的十二位輸出線。
由各組八位數(shù)字采樣組成一系列數(shù)字采樣。各組的八位包括一取自參考光電管的采樣，以及一取自其它光電管30A至30G的各采樣。對(duì)于各組八位采樣，CPU36用來(lái)自參考光電管的參考值和存儲(chǔ)在CPU36中的對(duì)應(yīng)于每一光電管30A至30G的校正系數(shù)對(duì)來(lái)自光電管30A至30G的值分別進(jìn)行補(bǔ)償。用參考值調(diào)節(jié)取自光電管30A至30G的采樣，以分別補(bǔ)償激光束26A至26G強(qiáng)度的偏差。這些入射光束強(qiáng)度的偏差導(dǎo)致在透過(guò)光束28A至28G強(qiáng)度上的偏差，這并不是在蔭罩方面發(fā)生變化的結(jié)果。為消除這些無(wú)用的偏差，用來(lái)自參考光電管的參考值跟蹤入射光束強(qiáng)度。然后補(bǔ)償該采樣以計(jì)算在入射光束強(qiáng)度上的偏差。
由CPU36施加的校正系數(shù)對(duì)光電管間的差進(jìn)行補(bǔ)償。在激光探測(cè)系統(tǒng)20相對(duì)于蔭罩22移動(dòng)，以使蔭罩22不再位于橢圓形激光束26A至26G與光電管30A至30G之間的校正階段，確定用于各光電管30A至30G的校正系數(shù)。
在校正階段，光電管30A至30G產(chǎn)生相應(yīng)于橢圓形激光束26A至26G照射的校正電流，參考光電管產(chǎn)生相應(yīng)于參考激光束照射的參考電流?；プ杩狗糯笃?2A至32G產(chǎn)生相應(yīng)于校正電流的校正電壓。這些校正電壓由CPU36儲(chǔ)存，并與來(lái)自互阻放大器32H的參考電壓進(jìn)行比較。根據(jù)這些比較情況，CPU36產(chǎn)生用于各光電管30A至30G的校正系數(shù)，該校正系數(shù)調(diào)整來(lái)自各互阻放大器32A至32G的電壓值，以使調(diào)整過(guò)的電壓值與來(lái)自互阻抗放大器32H的參考電壓值一致。因此，校正系數(shù)調(diào)整電壓值，以校正既不是由蔭罩也不是由入射光束強(qiáng)度上的偏差引起的數(shù)值差別。對(duì)于最佳運(yùn)作，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)校正光電管。
在補(bǔ)償各采樣之后，CPU36在存儲(chǔ)器中儲(chǔ)存已補(bǔ)償?shù)牟蓸?。然后，CPU36用某一儲(chǔ)存的采樣確定穿過(guò)橢圓激光束26A至26G的蔭罩22上某一小孔的特征，對(duì)于與特定橢圓形激光束26A至26G相關(guān)的各組小孔，可確定分隔的小孔特征。關(guān)于小孔特征的信息被傳送給顯示器38，可以是陰極發(fā)光屏顯示或打印輸出顯示?？刂破骼迷擄@示以檢驗(yàn)蔭罩被正確制造否。
圖2是蔭罩22的一種類型的部分區(qū)域的俯視圖，它示出入射橢圓形激光束26A的橫截面，蔭罩22包括交錯(cuò)偏移的狹縫45縱列44。在各縱列中，連接帶46使狹縫相互分隔。使交錯(cuò)偏移的縱列44相互分隔水平間距48，該水平間距48是從一縱列中心至緊相鄰的另一縱列中心所測(cè)得的距離，蔭罩上的各縫隙45具有縫寬50、縫長(zhǎng)52以及中心51和倒角53。
橢圓形激光束26A照射蔭罩一區(qū)域，其長(zhǎng)軸54沿縫寬50方向、短軸56沿縫52方向。光束具有沿兩個(gè)軸近似為高斯分布的強(qiáng)度分布。因此，橢圓形激光束26A的中心是光束的最亮部分，長(zhǎng)軸和短軸的兩端是光束的最暗部分。長(zhǎng)軸54覆蓋六列偏移的縱列44，而短軸56僅覆蓋部分縫長(zhǎng)52。而且，蔭罩22沿短軸56和縫長(zhǎng)52方向相對(duì)于橢圓形激光束26A移動(dòng)。圖2中的箭頭40示出蔭罩22的移動(dòng)方向。經(jīng)過(guò)橢圓形激光束26A的蔭罩22的部分，在蔭罩22上形成照射區(qū)域42。
雖然在圖2中放大了，但短軸56典型地具有50微米的長(zhǎng)度，這比連接帶46的長(zhǎng)度小得多。由于短軸56的該尺寸，橢圓形激光束26A一次僅照射縫長(zhǎng)52的較小部分。按照以下進(jìn)一步的討論，該較小的照射區(qū)域可供對(duì)縫寬50進(jìn)行更詳細(xì)的分析。用橢圓形激光束26A，可測(cè)量靠近狹縫端部53和縫中心51處的縫寬50。并且，按照以下進(jìn)一步的討論，通過(guò)對(duì)透過(guò)照射區(qū)域42的光量求積分，可確定對(duì)于大量狹縫的平均透光率。
此外，雖然長(zhǎng)軸54的兩端在圖2中處于狹縫列中，但這并不是本發(fā)明必需的位置，由于橢圓形激光束26A沿其長(zhǎng)軸54近似為高斯強(qiáng)度分布，因而可使橢圓形激光束26A在寬度方向偏移，而不會(huì)較大地影響上述測(cè)量。然而，如果光束偏移，就必須進(jìn)行小的校正以對(duì)偏離理想高斯強(qiáng)度的分布進(jìn)行補(bǔ)償。
圖3A是當(dāng)具有狹縫小孔45的蔭罩22在預(yù)定距離上通過(guò)橢圓形激光束26A時(shí)，透過(guò)光束28A的相對(duì)強(qiáng)度值曲線。強(qiáng)度曲線上的虛線與當(dāng)出現(xiàn)各個(gè)強(qiáng)度值時(shí)蔭罩22上的橢圓形激光束26A短軸56的中心位置對(duì)齊。長(zhǎng)軸54平行于如圖2所示狹縫的寬度。
平底58表示測(cè)定的透過(guò)光束28A強(qiáng)度的最小值。平底58是在顯著時(shí)間周期內(nèi)的相對(duì)常數(shù)，并與橢圓形激光束26A經(jīng)過(guò)各其余狹縫縱列的連接帶46的時(shí)間有關(guān)。在該時(shí)間內(nèi)，橢圓形激光束26A僅透過(guò)各其余狹縫縱列的狹縫。當(dāng)橢圓形激光束26A開(kāi)始跨入與連接帶相鄰的狹縫倒角53時(shí)，出現(xiàn)過(guò)渡段60。在過(guò)渡段60期間，隨著橢圓形光束移向新照射的狹縫的恒定寬度部分，透過(guò)光強(qiáng)度水平增加。一旦橢圓形激光束26A抵達(dá)新照射的狹縫的最大寬度處，透過(guò)光強(qiáng)度變?yōu)樵谄巾?2的相對(duì)常數(shù)。平頂62與橢圓形激光束26A經(jīng)過(guò)各縱列狹縫的整個(gè)縫寬的時(shí)間周期有關(guān)。平均強(qiáng)度水平一直保持恒定直到部分橢圓形激光束26A一旦又跨入一組狹縫的倒角處。
通過(guò)對(duì)所有如平底58處的那些平底值求均值，用參考光束強(qiáng)度平均值除該透過(guò)光的平均平底強(qiáng)度均值，并用水平間距48的兩部乘該結(jié)果，就可計(jì)算出由橢圓激光束26A在預(yù)定距離照射的所有狹縫的平均寬度。這樣得到了照射的狹縫中心處的縫寬。
用平頂62的平均透過(guò)強(qiáng)度值可進(jìn)行類似計(jì)算。但是，在用參考光束的平均強(qiáng)度除平均平頂強(qiáng)度值之后，僅用水平間距48乘該結(jié)果。這樣得到了被照射的各狹縫端點(diǎn)附近的平均縫寬。
正如現(xiàn)有技術(shù)所述，通過(guò)對(duì)在所有時(shí)間內(nèi)的透過(guò)光強(qiáng)度積分，并用在相同時(shí)間內(nèi)的參考光束的強(qiáng)度積分除該結(jié)果，可得到所有狹縫的平均透射率。其結(jié)果給出了蔭罩的透光率的一般測(cè)量。積分是在大量積分周期上進(jìn)行，其中一個(gè)周期等于使橢圓形激光束26A橫過(guò)一個(gè)狹縫和一個(gè)連接帶的長(zhǎng)度所用的時(shí)間。求大量的這種積分周期內(nèi)的積分，使透過(guò)率的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化。
在優(yōu)選實(shí)施例中，CPU36利用在預(yù)定距離上的平均強(qiáng)度值，計(jì)算大量行列狹縫的縫端和縫中心處的縫寬度。雖然水平均值可掩蓋在一行列狹縫中的問(wèn)題，但是足以辨別縫寬度的變化。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)就在于平均寬度給出了有關(guān)平均中心寬度和平均端部寬度的特殊信息，而不是平均的總寬度。因此，本發(fā)明可檢測(cè)出復(fù)雜狹縫的信息，這些信息可能被不太精確的測(cè)量?jī)x器漏過(guò)。尤其是，本發(fā)明可檢測(cè)加寬的縫端與狹窄的縫中心的組合情況。
此外，在典型的蔭罩上，蔭罩的不同區(qū)域具有不同的水平間距和不同的狹縫取向。在各區(qū)域內(nèi)，間距和取向相對(duì)恒定以便在各區(qū)域內(nèi)，在短距離上進(jìn)行上述測(cè)量。即使如此，有關(guān)蔭罩的這些變化是采用多激光束的一個(gè)理由。用多束，可與其它區(qū)域獨(dú)立地確定蔭罩各區(qū)域的縫寬。CPU36利用用于各區(qū)域?qū)挾扔?jì)算的恰當(dāng)?shù)乃介g距進(jìn)行該寬度計(jì)算。因此，用本發(fā)明，甚至可測(cè)量復(fù)雜蔭罩圖形的縫寬。
圖3B是當(dāng)條狀蔭罩66在預(yù)定距離內(nèi)移經(jīng)橢圓形激光束26A時(shí)，透過(guò)光束28A的相對(duì)強(qiáng)度值曲線，其中蔭罩66是具有與蔭罩22不同小孔的第二種蔭罩。來(lái)自強(qiáng)度曲線上的虛線使特定強(qiáng)度值與產(chǎn)生該特定強(qiáng)度值的條狀蔭罩66上的區(qū)域的各點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)條狀蔭罩66包括與在蔭罩22中所示的縱列類似的縱列小孔68，只是沒(méi)有連接帶46和倒角53。各列小孔68具有寬度70和由水平間距72隔開(kāi)的中心。設(shè)置橢圓形激光束26A穿過(guò)條狀蔭罩66，以便長(zhǎng)軸54沿寬度方向跨過(guò)幾列小孔68。由于蔭罩66沒(méi)有連接帶，因此，透過(guò)光束28A的強(qiáng)度并不隨條狀蔭罩66沿垂直于寬度70的方向移經(jīng)橢圓形激光束26A而變化。該恒定強(qiáng)度如圖3B中的平坦強(qiáng)度線74所示。用參考激光束強(qiáng)度除該平坦的強(qiáng)度74，并用水平間距72乘該結(jié)果，CPU36就能確定移經(jīng)橢圓形激光束26A的那部分小孔68的平均寬度70。正如蔭罩22，多個(gè)橢圓形激光束可被用于確定在條狀蔭罩66的其它區(qū)域上的小孔寬度。
圖3C是當(dāng)點(diǎn)狀蔭罩80移經(jīng)橢圓形激光束26A時(shí)，透過(guò)光束28A的強(qiáng)度曲線。點(diǎn)狀蔭罩80是具有圓形小孔82的行列的第三種類型的蔭罩。各小孔82具有直徑84和圓心86。各小孔圓心與另一小孔圓心相隔水平間距88、垂直間距90。在最佳實(shí)施例中，點(diǎn)狀蔭罩80沿垂直間距90方向移經(jīng)橢圓形激光束26A，以便垂直間距90平行于短軸56，水平間距88平行于長(zhǎng)軸54。
相對(duì)于點(diǎn)狀蔭罩80設(shè)置如圖3C所示的強(qiáng)度水平，以便該任一強(qiáng)度值與產(chǎn)生該強(qiáng)度值的短軸54中心位置垂直對(duì)齊。圖3C中的垂直虛線表示在兩處點(diǎn)狀蔭罩80上的橢圓形激光束26A的邊緣。在一處，橢圓形激光束26A與一行圓形小孔的圓心86對(duì)中，并產(chǎn)生最大值92。在另一處，橢圓形激光束26A產(chǎn)生最小值94，此時(shí)，它的中心位于相鄰兩行圓形小孔的圓心86之間。在強(qiáng)度的最大值與最小值之間是過(guò)渡段96。
由于橢圓形激光束26A的短軸54覆蓋比貫穿圓心86的線更多的小孔部分，因此最大值92并不能直接測(cè)量直徑84。但是，通過(guò)對(duì)小孔基本形狀進(jìn)行假設(shè)，可以用最大值92計(jì)算直徑。通過(guò)對(duì)顯示圓形小孔形狀的過(guò)渡段96的形狀進(jìn)行分析，就可以部分證明有關(guān)小孔形太的假設(shè)。
雖然已相對(duì)于三種蔭罩-蔭罩22、條狀蔭罩和點(diǎn)狀蔭罩80描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明可對(duì)任何具有小孔的板材確定小孔特性。
圖4是橢圓激光器24、蔭罩22、柱面透鏡29A至29G和光電管30A至30G的局部框圖，為了產(chǎn)生橢圓形激光束26A至26G，橢圓激光器24利用激光器100產(chǎn)生圓形激光束102。激光器100最好為1.8mw線性偏振的、633nm的He-Ne激光器。圓形光束102進(jìn)入沿兩個(gè)相互垂直的方向放大圓形光束的光束放大光學(xué)系統(tǒng)104。雖然圓形激光束102被表示為從激光器100發(fā)出并直接射入光束放大光學(xué)系統(tǒng)104，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解如果用鏡子將圓形激光束102導(dǎo)入光束放大光學(xué)系統(tǒng)104，則可不同地設(shè)置激光器100。
在最佳實(shí)施例中，光束放大光學(xué)系統(tǒng)104產(chǎn)生沿一個(gè)方向?yàn)閳A形光束102的八倍、沿另一垂直方向?yàn)閳A形光束102的兩倍的光束。其放大結(jié)果是具有如圖5所示的被放大的橫截面的橢圓形激光束106。橢圓形激光束106具有短軸108和長(zhǎng)軸110。在最佳實(shí)施例中，長(zhǎng)軸110為短軸108的四倍。圖4中，短軸108在圖面之外，長(zhǎng)軸110在圖中平面上。
橢圓形激光束106從光束放大光學(xué)系統(tǒng)104射出，入射到正方體分束器112上。正方體分束器112以90°角度、保持短軸朝向圖面之外反射橢圓激光束106。然后橢圓形激光束106碰撞分束器114A。分束器114A為本領(lǐng)域所公知的眾多分束器中的任一種，但最好是使橢圓形激光束106分裂為相同強(qiáng)度的兩束的一種。其中一束光束沿平行于橢圓形激光束106的入射方向，穿過(guò)分束器114A繼續(xù)射向第二分束器114B。另一束光束被從分束器114A沿與橢圓形激光束106的入射方向垂直的方向反射而射向分束器114C。分束器114B和114C最好與分束器114A相同。
分束器114B和114C又分別對(duì)這兩束光束進(jìn)行分束。分束器114D將從分束器114B輸出的一光束分束，使其中的半束射向蔭罩22，另半束射向參考光電管116。光電管116產(chǎn)生代表入射光束強(qiáng)度的電流，并供給圖1中的互阻放大器32H。按照下文進(jìn)一步的討論，入射在光電管116上的光束最好與橢圓形激光束26A至26G的強(qiáng)度相同。分束器114E將從分束器114B輸出的另一光束分束，使其中的半束射向蔭罩22、另一半束射向反射鏡118A。反射鏡118A然后將該光束反射到蔭罩22。
分束器114F和114G分別對(duì)分束器114C的輸出光束進(jìn)行分束。這些分束器都分別將入射光束的一半射向蔭罩22，另一半射向反射鏡118B或118C。這些反射鏡將其入射光束反射到蔭罩。
該分束器和反射鏡系統(tǒng)產(chǎn)生八束相同強(qiáng)度的橢圓形激光束。當(dāng)它們到達(dá)蔭罩或參考光電管116時(shí)，每一光束已通過(guò)了三個(gè)分束器，并且各束具有橢圓形激光束106的約八分之一的強(qiáng)度。因此，入射到參考光電管116上的光束具有與入射到蔭罩的七束光中任一束基本相同的強(qiáng)度。
雖然為簡(jiǎn)化用八束激光束描述了本發(fā)明，但是最好是三十二束橢圓形激光束。由兩個(gè)分離的各產(chǎn)生十六束橢圓形激光束的橢圓激光器產(chǎn)三十二束光束。來(lái)自十六束的各組的橢圓形激光束中的兩束用作參考光束。
在入射到圖4的蔭罩22之前，來(lái)自反光鏡118A和分束器114D以及114E、反光鏡118B和分束器114F以及114G、和反光鏡118C的分裂的橢圓形激光束，分別穿過(guò)三柱面透鏡120A、120B和120C。柱面透鏡120A至120C對(duì)分裂的橢圓形激光束的長(zhǎng)軸尺寸無(wú)影響。但是，它們使分裂的橢圓形激光束的短軸聚焦為極短的長(zhǎng)度。
柱面透鏡120A、120B和120C分別產(chǎn)生入射到蔭罩22的橢圓形激光束26E至26G、26B至26D和26A。在最佳實(shí)施例中，橢圓形激光束26A至26G都具有長(zhǎng)軸對(duì)短軸為100∶1的比值，其中長(zhǎng)軸具有約5mm的長(zhǎng)度，短軸具有約0.05mm的長(zhǎng)度。按照以上的討論，該橢圓形給出既對(duì)狹縫中心又對(duì)狹縫端進(jìn)行的狹縫寬度測(cè)量。
穿過(guò)蔭罩22的橢圓形激光束26A、26B、26C、26D、26E、26F和26G的光分別變?yōu)橥高^(guò)光束28A、28B、28C、28D、28E、28F和28G。柱面透鏡29A；29B和29C以及29D；29E以及29F和29G分別每柱面透鏡120C；120B；和120A相對(duì)設(shè)置，并分別使在穿過(guò)蔭罩22上的狹縫時(shí)發(fā)生繞射的透過(guò)光束28A；28B、28C和28D；28E、28F和28G的光改變方向。柱面透鏡29A、29B、29C、29D、29E、29F和29G分別產(chǎn)生分別入射到圖1中所述的光電管30A、30B、30C、30D、30E、30F和30G上的光束31A、31B、31C、31D、31E、31F和31G。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員都會(huì)理解，當(dāng)蔭罩移經(jīng)橢圓形激光束時(shí)，蔭罩須垂直地保持穩(wěn)定。蔭罩的垂直偏移將使蔭罩移出橢圓形激光束的短軸的聚焦收斂部分之外。在探頭的前后可使用滾子，以在蔭罩移經(jīng)光束時(shí)協(xié)助垂直地限定蔭罩。此外，蔭罩平面應(yīng)與橢圓形激光束的傳播方向理想地保持正交，也就是說(shuō)，應(yīng)用補(bǔ)償系數(shù)對(duì)蔭罩平面與理想位置的任何偏移進(jìn)行補(bǔ)償。
圖6和7示出光束放大光學(xué)系統(tǒng)104的一實(shí)施例。圖6是如同圖4所示的、光束的短軸在圖面之外、長(zhǎng)軸垂直地示于圖面上那樣的側(cè)視圖。圖7是俯視圖，長(zhǎng)軸在圖面之外而短軸垂直地示于圖面上。
圖6和7中，來(lái)自激光器100的圓形激光束102射入為具有15mm焦距的球面透鏡的消色差透鏡126。由于為球面的，消色差透鏡126使圓形激光束102的長(zhǎng)軸和短軸在距透鏡15mm處會(huì)聚為大小為20微米的光束。
在距消色差透鏡126約15mm的消色差透鏡126的焦面上為針孔組件128。針孔組件128最好具有直徑為40微米的圓形開(kāi)口。針孔組件128消除圓形激光束102的周邊的不需要的光。從針孔組件128射出的激光以大體為錐體的方式散射到距針孔組件128為30mm的復(fù)合柱面透鏡130。如圖7所示，復(fù)合柱面透鏡130具有30mm的焦距，因而使入射在其上的激光準(zhǔn)直，以使光束不再沿短軸方向放大。在復(fù)合柱面透鏡130使激光準(zhǔn)直的該點(diǎn)，沿短軸的束寬度為圓形光束102的兩倍。如圖6所示，復(fù)合柱面透鏡130并不影響在長(zhǎng)軸方向的激光光線的發(fā)散。
激光光線一直繼續(xù)沿長(zhǎng)軸方向放大，直到撞擊到圖6和7所示的復(fù)合柱面透鏡132。復(fù)合柱面透鏡132具有120mm的焦距，固定于距針孔組件128約120mm處。因此，如圖6所示，復(fù)合柱面透鏡132使激光光線平行，以使其不再沿長(zhǎng)軸方向發(fā)散。并且，它對(duì)如圖7所示沿短軸方向的激光光線無(wú)影響。當(dāng)激光光線穿過(guò)復(fù)合柱面透鏡132時(shí)，沿短軸方向繼續(xù)使其準(zhǔn)直。
設(shè)置柱面透鏡132，以使從透鏡射出的激光束橫截面的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為圓形激光束102的八倍。由于沿短軸的激光束長(zhǎng)度為圓形激光束102的兩部，那么從圖6和7的光束放大光學(xué)系統(tǒng)104射出的光束具有4∶1的長(zhǎng)軸短軸比。
圖8和9公開(kāi)了光束放大光學(xué)系統(tǒng)104的第二實(shí)施例。圖8示出了具有與圖4所示相同方向的光束放大光學(xué)系統(tǒng)。圖9示出俯視的光束放大光學(xué)系統(tǒng)。
圖8示出對(duì)沿長(zhǎng)軸方向的圓形激光束102進(jìn)行的放大。具有焦距15mm的消色差透鏡136將圓形激光束102的光線聚焦在相距約15mm的針孔組件138上的圓形小孔處。圓形小孔的直徑約40微米，它濾出在光束周邊的不需要的光線。從針孔組件138射出的激光光線以大體為錐體的方式散射，并入射到相距60mm處所設(shè)的柱面透鏡140上。如圖8所示，柱面透鏡140并不影響沿長(zhǎng)軸的光線發(fā)散。但是，具有+60mm的焦距的柱面透鏡140使激光光線準(zhǔn)直，以使其不再沿短軸發(fā)散。該準(zhǔn)直示于圖9中，其結(jié)果是光束的短軸為圓形激光束102的短軸的四倍。
從柱面透鏡140，激光光線傳送到設(shè)在距針孔組件138為120mm處的消色差透鏡42。消色差透鏡142為具有120mm焦距的球面透鏡，它使激光光線既沿長(zhǎng)軸又沿短軸折射。消色差透鏡142的聚點(diǎn)使沿長(zhǎng)軸發(fā)散的光線準(zhǔn)直，不再沿長(zhǎng)軸發(fā)散或會(huì)聚。此外，消色差透鏡142使沿短軸準(zhǔn)直的光線會(huì)聚在透鏡前方120mm的點(diǎn)處。
距消色差透鏡142約60mm處，激光光線入射在倒柱面透鏡144上。倒柱面透鏡144對(duì)沿長(zhǎng)軸的光線無(wú)影響，因而光線沿長(zhǎng)軸仍然是準(zhǔn)直的。當(dāng)激光光線從倒柱面透鏡144射出時(shí)，其長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度為圓形激光束102的長(zhǎng)軸的八倍。
倒柱面透鏡144具有-60mm的焦距。由此，在將激光光線已會(huì)聚為其短軸長(zhǎng)度為圓形激光束102的短軸長(zhǎng)度的二倍之后，倒柱面透鏡144使激光光線沿短軸準(zhǔn)直。因此，當(dāng)其離開(kāi)倒柱面透鏡144時(shí)，光束的長(zhǎng)軸與短軸之比為4∶1，并既沿長(zhǎng)軸又沿短軸使光線準(zhǔn)直。
通過(guò)產(chǎn)生其長(zhǎng)軸與短軸之比為100∶1的橢圓形激光束，本發(fā)明提供了一種測(cè)量蔭罩上所選部分的小孔寬度，而不用激光束掃描蔭罩的裝置。
雖然參照最佳實(shí)施例已描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)理解，可對(duì)形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行改變而不會(huì)偏離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量具有小孔的板材特性的激光探測(cè)系統(tǒng)，該激光探測(cè)系統(tǒng)包括至少一根探測(cè)激光束入射在板材的第一側(cè)面，各探測(cè)激光束具有基本傳播本方向、長(zhǎng)軸和短軸，長(zhǎng)軸和短軸相互垂直并與探測(cè)激光束的基本傳播本方向垂直，長(zhǎng)軸長(zhǎng)于短軸；位于板材第二側(cè)面的接收系統(tǒng)，該接收系統(tǒng)產(chǎn)生表示穿過(guò)板材上小孔的光量的檢測(cè)信號(hào)；計(jì)算板材特性的裝置，該計(jì)算裝置與接收系統(tǒng)相連，能夠根據(jù)接收系統(tǒng)產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)計(jì)算板材特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的激光探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述小孔包括多個(gè)狹縫列，各列被水平間距隔開(kāi)，各狹縫具有在探測(cè)激光束長(zhǎng)軸方向的寬度和在探測(cè)激光束短軸方向的長(zhǎng)度，在各列中的狹縫相互之間被材料帶隔開(kāi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的激光探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于長(zhǎng)軸至少為狹縫列間間距的二倍，短軸小于一個(gè)狹縫長(zhǎng)度的二分之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的激光探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于能夠由計(jì)算裝置計(jì)算包括狹縫端部附近的縫寬、狹縫中心附近的縫寬、以及對(duì)于至少一個(gè)狹縫的整個(gè)長(zhǎng)度的平均透光率來(lái)計(jì)算所述的特性。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的激光探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于帶小孔的板材能夠在與至少一根探測(cè)激光束的基本傳播本方向正交的平面上，相對(duì)于激光探測(cè)系統(tǒng)移動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的激光探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于計(jì)算裝置包括確定在大于極小時(shí)間周期內(nèi)具有恒定值的最大檢測(cè)信號(hào)的裝置；和利用至少一個(gè)檢測(cè)信號(hào)最大值計(jì)算狹縫端部處的縫寬的裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的激光探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于計(jì)算裝置還包括根據(jù)至少一個(gè)最大值確定均值的裝置；用代表入射在板材上的光量的值除該均值，而產(chǎn)生商的裝置；和用水平間距乘該商，并得到在板材上狹縫端部附近的縫寬測(cè)量值的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的激光探測(cè)裝置，其特征在于激光探測(cè)系統(tǒng)還包括多根激光束，每束等同于探測(cè)激光束，每束入射在板材的各區(qū)域，每個(gè)激光束能夠產(chǎn)生單獨(dú)的探測(cè)信號(hào)，以及能夠根據(jù)各單獨(dú)的檢測(cè)信號(hào)得到在板材上狹縫端部附近的縫寬的單獨(dú)測(cè)量值的計(jì)算特征的裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求5的激光探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于計(jì)算特征的裝置包括確定具有在大于極小時(shí)間周期內(nèi)的恒定值的最小檢測(cè)信號(hào)的裝置；和利用至少一個(gè)檢測(cè)信號(hào)最小值計(jì)算狹縫中心處的縫寬的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的激光探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于計(jì)算特征的裝置還包括根據(jù)至少一個(gè)最小值確定均值的裝置；用代表入射在板材上的光量的值除該均值，而產(chǎn)生商的裝置；和用兩倍的水平間距乘該商的裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的激光探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于激光探測(cè)系統(tǒng)還包括多根激光束，各束等同于探測(cè)激光束，各束入射在板材的各區(qū)域，各束能夠產(chǎn)生單獨(dú)的探測(cè)信號(hào)，以及能夠根據(jù)各單獨(dú)的檢測(cè)信號(hào)得到在板材上狹縫中心附近的縫寬的單獨(dú)測(cè)量值的計(jì)算特征裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求5的激光探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于計(jì)算特征的裝置包括對(duì)在第一時(shí)間周期內(nèi)的探測(cè)信號(hào)積分，獲得積分檢測(cè)信號(hào)的裝置；對(duì)在第一時(shí)間周期內(nèi)代表入射到板材上的光量的參考信號(hào)積分，獲得積分參考信號(hào)的裝置；用積分參考信號(hào)除積分檢測(cè)信號(hào)而獲得平均透光率的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的激光探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于探測(cè)激光束具有沿其長(zhǎng)軸的空間強(qiáng)度分布和長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，以致在板材與探測(cè)激光束之間沿短軸方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)就能明顯地改變穿過(guò)板材的光量。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的激光探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于小孔包括小孔縱列，各列小孔具有至少一寬度，各寬度在至少一根探測(cè)激光束的長(zhǎng)軸方向上。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的激光探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于計(jì)算特征的裝置能夠計(jì)算小孔的寬度尺寸。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的激光探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于小孔包括圓形小也，各圓形小孔具有直徑。
17.一種測(cè)量可移動(dòng)網(wǎng)狀物上的狹縫寬度的方法，可移動(dòng)網(wǎng)狀物具有帶中心的狹縫列，由水平間距使各列狹縫中心與另一列狹縫中心隔開(kāi)，該方法包括將穩(wěn)定的光線投向可移動(dòng)網(wǎng)狀物，該光線在任一時(shí)刻都僅照射網(wǎng)狀物的一部分；檢測(cè)從網(wǎng)狀物透過(guò)的光量；基于被檢測(cè)的光線產(chǎn)生電信號(hào)；確定基本上在時(shí)間周期內(nèi)恒本定的電信號(hào)部分，各基本恒定部分具有值；和用基本恒定部分的電信號(hào)值計(jì)算所選透過(guò)光線區(qū)域的狹縫平均寬度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于通過(guò)以下步驟計(jì)算狹縫端部附近的平均寬度；確定基本恒定的電信號(hào)最大值，各最大值具有一值；用代表入射到網(wǎng)狀物上的總光線的值除確定的最大值之一的值，獲得商；和用水平間距乘該商。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于通過(guò)以下步驟計(jì)算狹縫中心附近的平均寬度確定基本恒定的電信號(hào)最小值，各最小值具有值；用代表入射到網(wǎng)狀物上的總光線的值除確定的最小值之一的值，得到商；和用兩倍的水平間距乘該商。
20.一種測(cè)量具有小孔的板材特征的方法，該方法包括將至少一根探測(cè)激光束投射到板材的第一側(cè)面上，各探測(cè)激光束具有基本傳播方向、長(zhǎng)軸和短軸，長(zhǎng)軸和短軸相互垂直并與探測(cè)激光束的基本傳播方向垂直，長(zhǎng)軸長(zhǎng)于短軸；檢測(cè)穿過(guò)板材上小孔的光量；基于被檢測(cè)的光量產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)；根據(jù)檢測(cè)信號(hào)計(jì)算至少一個(gè)板材特征。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其特征在于計(jì)算至少一個(gè)板材特征包括確定檢測(cè)信號(hào)最大值，各最大值具有值；和利用至少一個(gè)最大值，計(jì)算至少一個(gè)小孔的尺寸。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其特征在于計(jì)算至少一個(gè)板材特征包括確定檢測(cè)信號(hào)最小值，各最小值具有值；和利用至少一個(gè)最小值，計(jì)算至少一個(gè)小孔的尺寸。
全文摘要
用于測(cè)量板材上小孔的激光探測(cè)器具有激光束和檢測(cè)系統(tǒng)。激光束具有相互垂直的長(zhǎng)軸和短軸。長(zhǎng)軸比短軸大得多。根據(jù)穿過(guò)板材的激光束部分確定小孔尺寸。通過(guò)在板材相對(duì)于激光束移動(dòng)時(shí)，確定穿過(guò)板材的相對(duì)恒定的光量來(lái)測(cè)量狹縫寬度。
文檔編號(hào)H01J9/42GK1157911SQ96110679
公開(kāi)日1997年8月27日 申請(qǐng)日期1996年7月19日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月21日
發(fā)明者詹姆斯·R·芬德雷, 布魯斯·茲莫曼 申請(qǐng)人:Bmc工業(yè)股份有限公司