在光學(xué)冷加工和鏡頭裝調(diào)過程中，精確地測(cè)定透鏡或鏡組中心厚度、空氣間隔對(duì)產(chǎn)品成像質(zhì)量至關(guān)重要。以往，人們常采用機(jī)械法，如卡尺、百分表、千分表等量具來測(cè)定透鏡的中心厚度和鏡組的空氣間隔。但機(jī)械法是接觸測(cè)量，有劃傷鏡片、增加系統(tǒng)的雜散光的風(fēng)險(xiǎn)。且頂點(diǎn)位置找不準(zhǔn)，或千分表測(cè)頭對(duì)零件的壓力不同會(huì)使得測(cè)量結(jié)果有較大誤差，一般測(cè)量精度低于10um。因此，不少工業(yè)生產(chǎn)需要高精度的非接觸式測(cè)量方法和儀器，如非接觸式測(cè)厚儀、鏡面定位儀。 | |
目前，光學(xué)加工領(lǐng)域理想的非接觸式測(cè)量厚度的方案之一，是在邁克爾遜干涉儀基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一種非接觸式測(cè)量厚度的方法和儀器，如圖1所示的光學(xué)干涉法非接觸式測(cè)厚儀和鏡面定位儀等，可以測(cè)量各種透明或半透明材料的厚度，具有無損傷、高精度的特點(diǎn)。 | |
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| 圖1 a.光學(xué)干涉法非接觸式測(cè)厚儀 | b.鏡面定位儀 |
邁克爾遜干涉儀原理回顧 | |
邁克爾遜干涉儀是最典型的雙光束干涉儀，通過入射光分振幅形成雙光束而產(chǎn)生干涉。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，光源S發(fā)出光束，入射到分束板上，分別經(jīng)反射和透射行程強(qiáng)度相等的光束①和光束②，再經(jīng)過反射鏡M1和 M2反射后即可在觀察區(qū)域形成干涉圖樣。 | |
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| 圖2 邁克爾遜干涉儀原理示意圖 | |
干涉儀等效于M1、M2’虛平板，M2’是M2經(jīng)分束板反射面所成的虛像。通過調(diào)節(jié)M1、M2的相對(duì)位置，改變虛平板的厚度和楔角，可以實(shí)現(xiàn)平行平板的等傾干涉，實(shí)現(xiàn)楔板的混合型條紋，并且在楔板角度不大、板厚很小的條件下獲得等厚干涉條紋。 | |
非接觸式測(cè)厚儀原理 | |
非接觸式測(cè)厚儀多采用短相干光源的邁克爾遜干涉儀原理，圖3所示，短相干光源發(fā)出的短相干光束經(jīng)過光纖耦合器可分成兩束，兩束光分別經(jīng)透鏡聚焦到測(cè)量臂（Measurement arm）和參考臂（Reference arm）上；在測(cè)量臂中，光束經(jīng)被測(cè)鏡組各個(gè)透鏡表面反射，R1和R2為被測(cè)透鏡前后表面的反射光信號(hào)；在參考臂中，光束經(jīng)掃描反射鏡反射，在光纖耦合器中，分別與R1和R2兩束光產(chǎn)生干涉，兩干涉信號(hào)經(jīng)光電二極管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再由顯示器顯示。 | |
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| 圖3 低相干光干涉測(cè)量原理 | |
根據(jù)這一原理，通過調(diào)節(jié)掃描反射鏡在光路上的位置，分別調(diào)出兩干涉信號(hào)出現(xiàn)極大值的兩個(gè)位置，此兩極值的位置所對(duì)應(yīng)的掃描反射鏡在參考臂上的位置之差，即為待測(cè)鏡組的光學(xué)厚度，其實(shí)際厚度為光學(xué)厚度除以其折射率。 系統(tǒng)中采用短相干，以獲得足夠短的相干長(zhǎng)度，當(dāng)相干長(zhǎng)度小于待測(cè)鏡組的光學(xué)厚度的2倍時(shí)，才能保證反射光束R1和R2相互不發(fā)生干涉，達(dá)到隔絕第二個(gè)表面對(duì)干涉條紋的影響的目的。如采用中心波長(zhǎng)λ | |
非接觸式測(cè)厚儀&鏡面定位儀 | |
聯(lián)合光科提供了兩種測(cè)量厚度的理想方案，分別是LensThick測(cè)厚儀產(chǎn)品和TRIOPTICS公司設(shè)計(jì)的OptiSurf® 鏡面定位儀。兩者均利用光的非接觸式、非損傷測(cè)量特性，實(shí)現(xiàn)精確、可重復(fù)、可靠的透鏡厚度、空氣間隔等數(shù)據(jù)的測(cè)量。 | |
LensThick非接觸式測(cè)厚儀 LensThick光學(xué)非接觸式測(cè)厚儀，能夠精確測(cè)量各種透明或半透明材料的厚度。測(cè)量時(shí)光束從光學(xué)探頭發(fā)出，照射到被測(cè)樣品，被每一個(gè)表面（上表面，底面和中間表面）反射回去的光束再次收集進(jìn)入光學(xué)探頭，通過光學(xué)干涉儀分析測(cè)量結(jié)果。這種非常精確的“光尺"測(cè)量每一個(gè)反射的不同光程即可確定總厚度和每一層的厚度。 | |
表1 LensThick非接觸式測(cè)厚儀技術(shù)參數(shù) | |
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⑴ 定義為測(cè)量不確定度或最大厚度誤差，置信度≥99.7%。 ⑵ 整個(gè)運(yùn)行環(huán)境條件的不確定性。 ⑶ 60分鐘測(cè)量周期的標(biāo)準(zhǔn)偏差。 ⑷ 取決于被測(cè)材料在1.3μm波長(zhǎng)下的反射率。該規(guī)格書是在4%反射條件下給出的。 當(dāng)反射條件較低時(shí)，重復(fù)性最壞會(huì)降低到約±0.15μm。 | |
| 圖4為使用LensThick非接觸式測(cè)厚儀測(cè)量管壁厚度的測(cè)量實(shí)例，趨勢(shì)圖可用于生產(chǎn)過程對(duì)厚度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。 | |
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| 圖4 a. LensThick非接觸式測(cè)厚儀 | b.測(cè)量軟件界面 |
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| c. 管壁橫截面示意圖 | |
對(duì)于光學(xué)產(chǎn)品而言，高精度的光學(xué)系統(tǒng)需要高質(zhì)量的單鏡片。OptiSurf®LTM鏡片厚度測(cè)量?jī)x就是德國(guó)TRIOPTICS公司為此開發(fā)的一款能很好的適用于不同產(chǎn)品的非接觸式單鏡片中心厚度測(cè)量系統(tǒng)。 | |
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圖5 OptiSurf®LTM中心厚度測(cè)量?jī)x | |
產(chǎn)品主要參數(shù)如下： | |
表2 OptiSurf®LTM中心厚度測(cè)量?jī)x技術(shù)參數(shù) | |
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TRIOPTICS公司設(shè)計(jì)的OptiSurf®鏡面定位儀是非接觸式、高精度測(cè)量單鏡頭、平面關(guān)系和光學(xué)系統(tǒng)中心厚度與空氣間隔的理想工具。基于低相干干涉原理設(shè)計(jì)，非接觸式測(cè)量，是光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)中檢驗(yàn)和控制空氣間隔理想的工具。 | |
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| 圖6 OptiSurf®鏡面定位儀 | b.測(cè)量軟件界面 |
產(chǎn)品基于低相干光源的干涉儀系統(tǒng)，在一定光程范圍內(nèi)通過動(dòng)鏡掃描參考臂并精確測(cè)量動(dòng)鏡位移量，當(dāng)測(cè)量臂中被測(cè)樣品的某表面反射光光程與參考臂中的光程相等時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)干涉極大峰，相鄰峰值間的距離即為被測(cè)透鏡中心厚度或空氣間隔。 | |
表3 OptiSurf®鏡面定位儀技術(shù)參數(shù) | |
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會(huì)員.png)
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=1310nm，譜寬?λ =83nm的發(fā)光二極管（SLD）光源，其相干長(zhǎng)度lc=2ln2×λ2/(π×?λ) =9um。
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