CN106767464A - 非接触式厚度测量装置及方法 - Google Patents

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赵世杰
陈贤华
廖德锋
田亮
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周炼
徐曦
袁志刚
邓文辉
金会良
王健
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Abstract

本发明提供一种光学元件的非接触式厚度测量装置，包括底座、滑动导轨、支撑架、齿条、齿轮、第一激光位移传感器、载物台、第二激光位移传感器、滑台和控制器，所述滑动导轨固定在底座上，所述滑台设置在滑动导轨上；所述支撑架固定在底座上，所述齿条设置在支撑架上，所述齿条上安装有第一激光位移传感器，所述齿轮与齿条配合；所述载物台固定在滑台上，所述第二激光位移传感器固定在底座上，所述第二激光位移传感器与第一激光位移传感器的测量点在同一竖直线上，所述第一激光位移传感器和第二激光位移传感器分别与控制器相连接。本发明测量的分辨率为0.1μm，测量误差为0.01％，可对大口径光学元件及其它材料元件的厚度进行精密测量。

Description

非接触式厚度测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种厚度测量装置及方法，尤其涉及一种非接触式厚度测量装置及方法。
背景技术
光学元件广泛应用于高功率激光装置及半导体行业，光学元件的厚度检测是先进光学制造过程中的一个重要环节，使用千分尺等接触式测量装置极易破坏光学元件的表面，而激光干涉装置等非接触式测量装置结构复杂，测量结果易受外界环境的影响，因此，为满足先进光学制造的应用需求，一种可靠的非接触、高精度(亚微米)厚度测量装置及方法很有必要，以满足元件去除量控制及平行度矫正等方面的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光学元件的非接触式厚度测量装置，可对光学元件进行快速、高精度的厚度测量。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：非接触式厚度测量装置，包括底座、滑动导轨、支撑架、齿条、齿轮、第一激光位移传感器、载物台、第二激光位移传感器、滑台和控制器，所述滑动导轨固定在底座上，所述滑台设置在滑动导轨上，并可沿着滑动导轨左右移动；所述支撑架固定在底座上，所述齿条设置在支撑架上，所述齿条上安装有第一激光位移传感器，所述齿轮与齿条配合，通过旋转齿轮带动齿条移动，从而带动第一激光位移传感器上下移动；所述载物台固定在滑台上，所述第二激光位移传感器固定在底座上，所述第二激光位移传感器与第一激光位移传感器的测量点在同一竖直线上，所述第一激光位移传感器和第二激光位移传感器分别与控制器相连接。
进一步的，在所述载物台的放置区域设置有三个微小凸起，使被测元件在放置时为点接触。
进一步的，所述第二激光位移传感器对被测元件的下表面进行测量，所述第一激光位移传感器对被测元件的上表面进行测量。
进一步的，在所述滑台上还设置有手柄。
进一步的，所述滑动导轨通过螺钉固定在底座上，所述载物台通过螺钉固定在滑台上。
非接触式厚度测量方法，该测量方法包括以下步骤：
1)打开第一激光位移传感器和第二激光位移传感器，将第一激光位移传感器和第二激光位移传感器分别与控制器相连接，所述第二激光位移传感器与第一激光位移传感器的测量点在同一竖直线上；
2)采用高精度测微仪对任一物品的厚度进行测量，得到绝对测量值，然后将该物品置于载物台上，测得该物品的相对测量值；或直接将已知厚度的标准块置于载物台上进行测量，得到该标准块的相对测量值；
3)计算得到补偿偏移量C＝绝对测量值-相对测量值，并在控制器中进行补偿量设置；
4)将被测元件放置在载物台上进行测量，此时控制器显示窗口的数值即为被测元件的实际厚度。
进一步的，步骤2)所述任一物品与被测元件的厚度差不大于1mm。
进一步的，步骤4)所述当对被测元件进行重复测量时，保持第一激光位移传感器和第二激光位移传感器的位置固定，则补偿偏移量C为固定值，不需要再次标定补偿偏移量C。
进一步的，步骤4)所述当被测元件的厚度有较大改变时，旋转齿轮以适应被测元件，此时需要重新标定补偿偏移量C。
进一步的，步骤4)所述采用第二激光位移传感器对被测元件的下表面进行测量，得到位移S1，采用第一激光位移传感器对被测元件的上表面进行测量，得到位移S2，则被测元件的厚度为h＝S1+S2+C，所述C为补偿偏移量。
本发明的有益效果是：本发明通过两个上下对置的激光位移传感器，可对光学元件进行方便快速、无损的非接触式的厚度测量，测量及操作简单，重复性好，对光学元件的表面以及亚表面质量控制及加工效率的提高具有重要意义。本发明测量的分辨率为0.1μm，测量误差为0.01％，同时本发明装置还可进行扩展，通过结合高精度二维移动平台，可对大口径光学元件及其它材料元件的厚度进行精密测量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是图1的侧视图。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明的非接触式厚度测量装置包括底座1、滑动导轨2、支撑架3、齿条4、齿轮5、第一激光位移传感器6、载物台8、第二激光位移传感器10、滑台11和控制器。所述底座1放置在固定平台上，所述滑动导轨2通过螺钉固定在底座1上，所述滑台11设置在滑动导轨2上，并可沿着滑动导轨2左右移动；所述支撑架3固定在底座1上，所述齿条4设置在支撑架3上，所述齿条4上安装有第一激光位移传感器6，所述齿轮5与齿条4配合，通过手动旋转齿轮5外端，可实现齿条4的移动，从而带动第一激光位移传感器6上下移动；所述载物台8通过螺钉固定在滑台11上，工作时，被测元件7放置在载物台8上，且在载物台8的被测元件7的放置区域设置有三个微小凸起，使被测元件7在放置时为点接触状态，当滑台11沿着滑动导轨2左右移动时，可带动放置在载物台8上得被测元件7进行左右平移，这样就可测量被测元件7不同位置处的厚度；所述第二激光位移传感器10固定在底座1上，第二激光位移传感器10与第一激光位移传感器6呈上下对置排列，使得第二激光位移传感器10与第一激光位移传感器6的测量点在同一竖直线上；所述第一激光位移传感器6和第二激光位移传感器10分别与控制器相连接，采用第二激光位移传感器10对被测元件7的下表面进行测量，得到位移S1，采用第一激光位移传感器6对被测元件7的上表面进行测量，得到位移S2，则被测元件7的厚度为h＝S1+S2+C，所述C为补偿偏移量，需要在首次测量时进行标定。
为了方便推拉滑台11，在上述滑台11上还设置有手柄12，通过手动推拉手柄12带动滑台11沿着滑动导轨2左右移动。
本发明的测量方法包括以下步骤：
1)打开第一激光位移传感器6和第二激光位移传感器10，将第一激光位移传感器6和第二激光位移传感器10分别与控制器相连接，第二激光位移传感器10与第一激光位移传感器6的测量点在同一竖直线上；
2)采用高精度螺旋测微仪对任一物品的厚度进行测量，得到绝对测量值，该物品与被测元件7的厚度差不得大于1mm，然后将该物品置于载物台8上，测得该物品的相对测量值；或直接将已知厚度(绝对测量值)的标准块置于载物台8上进行测量，得到该标准块的相对测量值；
3)计算得到补偿偏移量C＝绝对测量值-相对测量值，并在控制器中进行补偿量设置；
4)将被测元件7放置在载物台8上进行测量，此时控制器显示窗口的数值即为被测元件7的实际厚度，当对被测元件7进行重复测量时，保持第一激光位移传感器6和第二激光位移传感器10的位置固定，则补偿偏移量C也为固定值，不需要再次标定补偿偏移量C，可直接进行读数。
在测量过程中，当被测元件7的厚度有较大改变时，需要旋转齿轮5以适应被测元件7，此时需要重新标定补偿偏移量C。
本发明基于激光位移传感器的非接触式测量方法，通过两个上下对置的激光位移传感器，可对光学元件进行快速精确的厚度测量，测量过程不会对元件表面造成破坏，测量过程简单、可靠，测量的分辨率为0.1μm，测量结果的误差为0.016％。此外，本发明装置可进行扩展，通过结合高精度二维移动平台，可对大口径光学元件及其它材料元件的厚度进行精密测量。

Claims (10)

1.非接触式厚度测量装置，其特征在于：包括底座(1)、滑动导轨(2)、支撑架(3)、齿条(4)、齿轮(5)、第一激光位移传感器(6)、载物台(8)、第二激光位移传感器(10)、滑台(11)和控制器，所述滑动导轨(2)固定在底座(1)上，所述滑台(11)设置在滑动导轨(2)上，并可沿着滑动导轨(2)左右移动；所述支撑架(3)固定在底座(1)上，所述齿条(4)设置在支撑架(3)上，所述齿条(4)上安装有第一激光位移传感器(6)，所述齿轮(5)与齿条(4)配合，通过旋转齿轮(5)带动齿条(4)移动，从而带动第一激光位移传感器(6)上下移动；所述载物台(8)固定在滑台(11)上，所述第二激光位移传感器(10)固定在底座(1)上，所述第二激光位移传感器(10)与第一激光位移传感器(6)的测量点在同一竖直线上，所述第一激光位移传感器(6)和第二激光位移传感器(10)分别与控制器相连接。
2.如权利要求1所述的非接触式厚度测量装置，其特征在于：在所述载物台(8)的放置区域设置有三个微小凸起，使被测元件(7)在放置时为点接触。
3.如权利要求1所述的非接触式厚度测量装置，其特征在于：所述第二激光位移传感器(10)对被测元件(7)的下表面进行测量，所述第一激光位移传感器(6)对被测元件(7)的上表面进行测量。
4.如权利要求1所述的非接触式厚度测量装置，其特征在于：在所述滑台(11)上还设置有手柄(12)。
5.如权利要求1所述的非接触式厚度测量装置，其特征在于：所述滑动导轨(2)通过螺钉固定在底座(1)上，所述载物台(8)通过螺钉固定在滑台(11)上。
6.非接触式厚度测量方法，其特征在于：该测量方法包括以下步骤：
1)打开第一激光位移传感器(6)和第二激光位移传感器(10)，将第一激光位移传感器(6)和第二激光位移传感器(10)分别与控制器相连接，所述第二激光位移传感器(10)与第一激光位移传感器(6)的测量点在同一竖直线上；
2)采用高精度测微仪对任一物品的厚度进行测量，得到绝对测量值，然后将该物品置于载物台(8)上，测得该物品的相对测量值；或直接将已知厚度的标准块置于载物台(8)上进行测量，得到该标准块的相对测量值；
3)计算得到补偿偏移量C＝绝对测量值-相对测量值，并在控制器中进行补偿量设置；
4)将被测元件(7)放置在载物台(8)上进行测量，此时控制器显示窗口的数值即为被测元件(7)的实际厚度。
7.如权利要求6所述的非接触式厚度测量方法，其特征在于：步骤2)所述任一物品与被测元件(7)的厚度差不大于1mm。
8.如权利要求6所述的非接触式厚度测量方法，其特征在于：步骤4)所述当对被测元件(7)进行重复测量时，保持第一激光位移传感器(6)和第二激光位移传感器(10)的位置固定，则补偿偏移量C为固定值，不需要再次标定补偿偏移量C。
9.如权利要求6所述的非接触式厚度测量方法，其特征在于：步骤4)所述当被测元件(7)的厚度有较大改变时，旋转齿轮(5)以适应被测元件(7)，此时需要重新标定补偿偏移量C。
10.如权利要求6所述的非接触式厚度测量方法，其特征在于：步骤4)所述采用第二激光位移传感器(10)对被测元件(7)的下表面进行测量，得到位移S1，采用第一激光位移传感器(6)对被测元件(7)的上表面进行测量，得到位移S2，则被测元件(7)的厚度为h＝S1+S2+C，所述C为补偿偏移量。
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