在光學(xué)冷加工和鏡頭裝調(diào)過程中，精確地測定透鏡或鏡組中心厚度、空氣間隔對產(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)，或千分表測頭對零件的壓力不同會使得測量結(jié)果有較大誤差，一般測量精度低于10um。因此，不少工業(yè)生產(chǎn)需要高精度的非接觸式測量方法和儀器，如非接觸式測厚儀、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)干涉法非接觸式測厚儀和鏡面定位儀等，可以測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。 | |
非接觸式測厚儀原理 | |
非接觸式測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)透鏡聚焦到測量臂（Measurement arm）和參考臂（Reference arm）上；在測量臂中，光束經(jīng)被測鏡組各個透鏡表面反射，R1和R2為被測透鏡前后表面的反射光信號；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，兩干涉信號經(jīng)光電二極管轉(zhuǎn)換為電信號再由顯示器顯示。 | |
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| 圖3 低相干光干涉測量原理 | |
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)出兩干涉信號出現(xiàn)極大值的兩個位置，此兩極值的位置所對應(yīng)的掃描反射鏡在參考臂上的位置之差，即為待測鏡組的光學(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度，當(dāng)相干長度小于待測鏡組的光學(xué)厚度的2倍時，才能保證反射光束R1和R2相互不發(fā)生干涉，達(dá)到隔絕第二個表面對干涉條紋的影響的目的。如采用中心波長λ | |
非接觸式測厚儀&鏡面定位儀 | |
聯(lián)合光科提供了兩種測量厚度的理想方案，分別是LensThick測厚儀產(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)的測量。 | |
LensThick非接觸式測厚儀 LensThick光學(xué)非接觸式測厚儀，能夠精確測量各種透明或半透明材料的厚度。測量時光束從光學(xué)探頭發(fā)出，照射到被測樣品，被每一個表面（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)干涉儀分析測量結(jié)果。這種非常精確的“光尺"測量每一個反射的不同光程即可確定總厚度和每一層的厚度。 | |
表1 LensThick非接觸式測厚儀技術(shù)參數(shù) | |
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⑴ 定義為測量不確定度或最大厚度誤差，置信度≥99.7%。 ⑵ 整個運(yùn)行環(huán)境條件的不確定性。 ⑶ 60分鐘測量周期的標(biāo)準(zhǔn)偏差。 ⑷ 取決于被測材料在1.3μm波長下的反射率。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，重復(fù)性最壞會降低到約±0.15μm。 | |
| 圖4為使用LensThick非接觸式測厚儀測量管壁厚度的測量實(shí)例，趨勢圖可用于生產(chǎn)過程對厚度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。 | |
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| 圖4 a. LensThick非接觸式測厚儀 | b.測量軟件界面 |
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| c. 管壁橫截面示意圖 | |
對于光學(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鏡片厚度測量儀就是德國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量系統(tǒng)。 | |
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圖5 OptiSurf®LTM中心厚度測量儀 | |
產(chǎn)品主要參數(shù)如下： | |
表2 OptiSurf®LTM中心厚度測量儀技術(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)通過動鏡掃描參考臂并精確測量動鏡位移量，當(dāng)測量臂中被測樣品的某表面反射光光程與參考臂中的光程相等時會產(chǎn)生一個干涉極大峰，相鄰峰值間的距離即為被測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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=1310nm，譜寬?λ =83nm的發(fā)光二極管（SLD）光源，其相干長度lc=2ln2×λ2/(π×?λ) =9um。
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