在光學冷加工和鏡頭裝調過程中，精確地測定透鏡或鏡組中心厚度、空氣間隔對產品成像質量至關重要。以往，人們常采用機械法，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。但機械法是接觸測量，有劃傷鏡片、增加系統(tǒng)的雜散光的風險。且頂點位置找不準，或千分表測頭對零件的壓力不同會使得測量結果有較大誤差，一般測量精度低于10um。因此，不少工業(yè)生產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，光學加工領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上設計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。 | |
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| 圖1 a.光學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生干涉。其結構如圖2所示，光源S發(fā)出光束，入射到分束板上，分別經反射和透射行程強度相等的光束①和光束②，再經過反射鏡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經分束板反射面所成的虛像。通過調節(jié)M1、M2的相對位置，改變虛平板的厚度和楔角，可以實現(xiàn)平行平板的等傾干涉，實現(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)出的短相干光束經過光纖耦合器可分成兩束，兩束光分別經透鏡聚焦到測量臂（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，光束經掃描反射鏡反射，在光纖耦合器中，分別與R1和R2兩束光產生干涉，兩干涉信號經光電二極管轉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 | |
根據這一原理，通過調節(jié)掃描反射鏡在光路上的位置，分別調出兩干涉信號出現(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厚度，其實際厚度為光學厚度除以其折射率。 系統(tǒng)中采用短相干，以獲得足夠短的相干長度，當相干長度小于待測鏡組的光學厚度的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測厚儀產品和TRIOPTICS公司設計的OptiSurf® 鏡面定位儀。兩者均利用光的非接觸式、非損傷測量特性，實現(xiàn)精確、可重復、可靠的透鏡厚度、空氣間隔等數據的測量。 | |
LensThick非接觸式測厚儀 LensThick光學非接觸式測厚儀，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入光學探頭，通過光學干涉儀分析測量結果。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參數 | |
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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 整個運行環(huán)境條件的不確定性。 ⑶ 60分鐘測量周期的標準偏差。 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。 當反射條件較低時，重復性最壞會降低到約±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例，趨勢圖可用于生產過程對厚度進行實時監(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 | |
對于光學產品而言，高精度的光學系統(tǒng)需要高質量的單鏡片。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 | |
產品主要參數如下： | |
表2 OptiSurf®LTM中心厚度測量儀技術參數 | |
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TRIOPTICS公司設計的OptiSurf®鏡面定位儀是非接觸式、高精度測量單鏡頭、平面關系和光學系統(tǒng)中心厚度與空氣間隔的理想工具?；诘拖喔筛缮嬖碓O計，非接觸式測量，是光學系統(tǒng)裝調中檢驗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 |
產品基于低相干光源的干涉儀系統(tǒng)，在一定光程范圍內通過動鏡掃描參考臂并精確測量動鏡位移量，當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®鏡面定位儀技術參數 | |
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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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