CN106931900A - 一种同轴照明的线视场色散样板干涉仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种同轴照明的线视场色散样板干涉仪，属于光电检测技术领域。本发明的干涉仪，每次可对被测玻璃表面的一条母线误差进行检测，辅以截线方向一维扫描，可对具有直线或近似直线母线的双面玻璃、反射镜等进行二维面形误差检测。测量结果无平行表面串扰影响，精度高、量程大、空间分辨率高，且可局部加密采样点，适用于大规模工业生产的流水线高速检测。

Description

一种同轴照明的线视场色散样板干涉仪
技术领域
本发明涉及一种同轴照明的线视场色散样板干涉仪，属于光电检测技术领域。
背景技术
电视机、电脑显示器、手机等屏幕的保护玻璃与显示模组之间通常有较高的贴合度要求。以手机屏为例，贴合度要求为10微米量级。
传统的平行平板保护玻璃面形检测，从宏观上主要可分为点测扫描法和二维成像测量两类。
点测扫描法中又主要分为机械探针与光探针两种。采用机械探针的如三坐标测量机；采用光探针的如同轴白光(色差共焦)测量。该方法测量精度较高，可测绝对面形，但测量效率低、分辨率低，不适用于生产线上的快速检测。
二维成像测量主要包括激光干涉仪测量法、条纹反射法、相位偏折术(逆向哈特曼检测)等。它们测量精度高，速度快、横向分辨率高，但共同的问题是无法区分玻璃前后两个表面。对于传统的平行平板保护玻璃，由于玻璃前后两面平行度很好，两个表面反射条纹分离量很小，可直接当作一组条纹处理，检测效果较好。
由于对视觉体验效果的更高需求，曲面屏得到了越来越多的重视，而曲面屏结构对保护玻璃与显示模组之间的贴合度提出了更高的要求。现有曲面屏的保护玻璃多为截线为曲线的直板结构，称为槽式双面玻璃。当槽式双面玻璃的厚度介于100微米至10毫米之间，采用二维成像测量法对该曲面屏保护玻璃进行检测时，部分光线将大角度偏离镜面法线入射与反射，前后两表面反射形成的条纹会相互错开串扰，影响测量精度，严重时甚至无法进行条纹分析解算。现有面形检测方法均无法对该结构曲面屏进行高精度、快速检测。
发明内容
本发明的目的是为解决传统面形检测方法无法对槽式双面玻璃进行高精度、快速检测的问题，而提供一种同轴照明线视场色散样板干涉仪，每次可对被测玻璃表面的一条母线误差进行检测，辅以截线方向一维扫描，可实现大量程、高精度、高空间分辨率、快速的槽式双面玻璃及母线为直线的光学表面的绝对面形测量。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
本发明的一种同轴照明的线视场色散样板干涉仪，包括白光扩展光源、标准样板、孔径光阑、成像透镜、场镜、狭缝、色散元件、中继透镜、面阵探测器、干涉仪本体、分光镜；
所述白光扩展光源为线光源或面光源；
所述标准样板为左侧表面与被测玻璃右侧表面面形相匹配的反射面，标准样板反射面的反射率为被测面的反射率的1/6倍至6倍；
所述分光镜为可为分光薄膜、分光平板或分光棱镜；
所述成像透镜为正透镜；
所述场镜为平凸透镜；
所述色散元件可为色散棱镜、光栅或棱栅；
所述中继透镜为正透镜；
所述面阵探测器为面阵电荷耦合元件(CCD)或面阵互补金属氧化物半导体(CMOS)；
成像透镜、场镜和中继透镜依次共轴排列，色散元件设置在场镜和中继透镜之间，面阵探测器设置在中继透镜的左侧，形成光学测量系统；其中场镜的平面一侧朝向成像透镜，且场镜的平面一侧设置有狭缝，孔径光阑设置在成像透镜处；孔径光阑位于场镜的物方焦平面上，色散元件的色散方向同时垂直于狭缝的延伸方向和光轴方向；面阵探测器靶面垂直于光轴、面阵探测器靶面的行方向平行或垂直于色散元件的色散方向；面阵探测器靶面位于狭缝经场镜、色散元件和中继透镜成像的像面上。
被测玻璃右侧表面贴合在标准样板的左端面上，形成待测系统，其中被测玻璃的右侧表面作为被测面，被测玻璃左侧表面作为非被测表面；待测系统放置在光学测量系统中成像透镜的右端，待测系统中被测玻璃的被测面与光学测量系统的光轴垂直，待测系统中被测玻璃的母线与狭缝的延伸方向平行；分光镜位于标光学测量系统与待测系统之间，分光镜的分光面与光学测量系统的光轴夹角为20度至60度之间，且被测玻璃的被测面与场镜的前表面相对于成像透镜物像共轭，孔径光阑位于场镜的物方焦平面上，色散元件的色散方向同时垂直于狭缝的延伸方向和光轴方向；面阵探测器靶面垂直于光轴、面阵探测器靶面的行方向平行或垂直于色散元件的色散方向；面阵探测器靶面位于狭缝经场镜、色散元件和中继透镜成像的像面上；白光扩展光源的设置位置能保证光源在被测母线处反射的光线能够充满孔径光阑；光学测量系统及白光扩展光源通过干涉仪本体支撑固定。
工作过程
采用白光扩展光源发出的光线通过分光镜反射到被测玻璃和标准样板上，反射光线再次经过分光镜透射进入孔径光阑。成像透镜将入射光线会聚到场镜的右侧面上。入射光线经场镜折射，形成主光线平行于光轴的光线，经色散元件色散后再经中继透镜成像到面阵探测器靶面上，得到颜色亮暗变化的色散条纹。
通过改变或调节色散元件的色散率来调整相干长度，使被测表面与标准样板的前表面之间的光程差小于相干长度，非被测表面与被测表面之间的光程差大于相干长度；因此，可观测到被测表面与标准样板干涉形成的色散条纹。通过平行于色散方向的色散条纹的相位和周期，可以解算出对应物点处的光程差，进而得到被测母线的面形误差。
面形误差解算方法优选采用条纹计数法、等效波长法、多波长相位分析法。
始终保持待测系统中被测玻璃的被测面与干涉仪本体内光学测量系统的光轴垂直，沿截线方向分别对被测玻璃的各条母线进行测量，从而得到整个被测玻璃的面形误差。
测量原理：
被测面与标准样板之间形成一个空气薄层，被测面各点沿法线方向的空气层厚度即为待测的绝对面形误差。干涉仪每次测量被测面一条母线位置的面形误差，辅以沿截线方向的一维扫描，将各条母线的面形误差拼接起来，即可得到被测面的二维面形误差分布。
有益效果
本发明提出一种线视场色散样板干涉仪，可对具有直线或近似直线母线的双面玻璃、反射镜等进行二维面形误差检测。测量结果无平行表面串扰影响，精度高、量程大、空间分辨率高，且可局部加密采样点，适用于大规模工业生产的流水线高速检测。
附图说明
图1为本发明实施例中同轴照明的线视场色散样板干涉仪测量原理主视图。
图2为本发明实施例中同轴照明式线视场色散样板干涉仪测量原理俯视图。
图3为本发明实施例中的扫描方式结构示意图
图4为本发明实施例中被测母线的色散条纹示意图。
图5为本发明实施例中被测母线上一点的色条纹示意图。
图6为本发明实施例中一条被测母线的误差分布示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明的内容进行详细说明。
实施例
下面以某手机屏保护玻璃内表面测量为例介绍本发明的具体实施方案。
如图1、2所示，一种同轴照明的线视场色散样板干涉仪，包括白光扩展光源1、标准样板3、孔径光阑4、成像透镜5、场镜6、狭缝7、色散元件8、中继透镜9、面阵探测器10、干涉仪本体11、分光镜；
所述白光扩展光源1为线光源，线光源的长度大于被测玻璃2直板长度的2倍；
所述标准样板3为左侧表面与被测玻璃2右侧表面面形相匹配的反射面，标准样板3反射面的反射率与被测面13的反射率相同；
所述分光镜12为可为分光平板；
所述成像透镜5为正透镜；
所述场镜6为平凸透镜；
所述色散元件8可为色散棱镜；
所述中继透镜9为正透镜；
所述面阵探测器10为面阵CCD；
成像透镜5、场镜6和中继透镜9依次共轴排列，色散元件8设置在场镜6和中继透镜9之间，面阵探测器10设置在中继透镜9的左侧，形成光学测量系统；其中场镜6的平面一侧朝向成像透镜5，且场镜6的平面一侧设置有狭缝7，孔径光阑4设置在成像透镜5处；
被测玻璃2右侧表面贴合在标准样板3的左端面上，形成待测系统，其中被测玻璃2右侧表面作为被测面13，被测玻璃2左侧表面作为非被测表面14；待测系统放置在光学测量系统中成像透镜5的右端，待测系统中被测玻璃2的被测面13与光学测量系统的光轴垂直，待测系统中被测玻璃2的母线与狭缝7的延伸方向平行；分光镜12位于标光学测量系统与待测系统之间，分光镜12的分光面与光学测量系统的光轴夹角为45度，且被测玻璃2的被测面13与场镜6的前表面相对于成像透镜5物像共轭，孔径光阑4位于场镜6的物方焦平面上，色散元件8的色散方向同时垂直于狭缝7的延伸方向和光轴方向；面阵探测器10靶面垂直于光轴、面阵探测器10靶面的行方向平行或垂直于色散元件8的色散方向；面阵探测器10靶面位于狭缝7经场镜6、色散元件8和中继透镜9成像的像面上；
白光扩展光源1的线光源与狭缝7共面，且与狭缝7的延伸方向垂直，使光源在被测母线处反射的光线能够充满孔径光阑；光学测量系统及白光扩展光源1通过干涉仪本体11支撑固定。
工作过程
白光扩展光源1发出的光线被分光镜12反射到被测玻璃2和标准样板3上。反射光线再次经过分光镜12透射进入孔径光阑4。成像透镜5将入射光线会聚到场镜6的右侧面上。入射光线经场镜6折射，形成主光线平行于光轴的光线，经色散元件8色散后再经中继透镜9成像到面阵探测器10靶面上，得到颜色亮暗变化的色散条纹。
通过改变或调节色散元件8的色散率来调整相干长度，使被测表面13与标准样板3的前表面之间的光程差小于相干长度，非被测表面14与被测表面13之间的光程差大于相干长度；因此，可观测到被测表面13与标准样板3干涉形成的色散条纹，如图4所示。通过平行于色散方向的色散条纹的相位和周期，可以解算出对应物点处的光程差，如图5所示，进而得到被测母线的面形误差，如图6所示。
始终保持待测系统中被测玻璃2的被测面13与干涉仪主体11内光学测量系统的光轴垂直，沿截线方向分别对被测玻璃2的各条母线进行扫描式测量，如图3所示，从而得到整个被测面13的面形误差。

Claims (1)

1.一种同轴照明的线视场色散样板干涉仪，其特征是：包括白光扩展光源、标准样板、孔径光阑、成像透镜、场镜、狭缝、色散元件、中继透镜、面阵探测器、干涉仪本体、分光镜；
所述白光扩展光源为线光源或面光源；
所述标准样板为左侧表面与被测玻璃右侧表面面形相匹配的反射面，标准样板反射面的反射率为被测面的反射率的1/6倍至6倍；
所述分光镜为分光薄膜、分光平板或分光棱镜；
所述成像透镜为正透镜；
所述场镜为平凸透镜；
所述色散元件为色散棱镜、光栅或棱栅；
所述中继透镜为正透镜；
所述面阵探测器为面阵电荷耦合元件或面阵互补金属氧化物半导体；
成像透镜、场镜和中继透镜依次共轴排列，色散元件设置在场镜和中继透镜之间，面阵探测器设置在中继透镜的左侧，形成光学测量系统；其中场镜的平面一侧朝向成像透镜，且场镜的平面一侧设置有狭缝，孔径光阑设置在成像透镜处；孔径光阑位于场镜的物方焦平面上，色散元件的色散方向同时垂直于狭缝的延伸方向和光轴方向；面阵探测器靶面垂直于光轴、面阵探测器靶面的行方向平行或垂直于色散元件的色散方向；面阵探测器靶面位于狭缝经场镜、色散元件和中继透镜成像的像面上；被测玻璃右侧表面贴合在标准样板的左端面上，形成待测系统，其中被测玻璃的右侧表面作为被测面，被测玻璃左侧表面作为非被测表面；待测系统放置在光学测量系统中成像透镜的右端，待测系统中被测玻璃的被测面与光学测量系统的光轴垂直，待测系统中被测玻璃的母线与狭缝的延伸方向平行；分光镜位于标光学测量系统与待测系统之间，分光镜的分光面与光学测量系统的光轴夹角为20度至60度之间，且被测玻璃的被测面与场镜的前表面相对于成像透镜物像共轭，孔径光阑位于场镜的物方焦平面上，色散元件的色散方向同时垂直于狭缝的延伸方向和光轴方向；面阵探测器靶面垂直于光轴、面阵探测器靶面的行方向平行或垂直于色散元件的色散方向；面阵探测器靶面位于狭缝经场镜、色散元件和中继透镜成像的像面上；白光扩展光源的设置位置能保证光源在被测母线处反射的光线能够充满孔径光阑；光学测量系统及白光扩展光源通过干涉仪本体支撑固定。
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