CN205642302U - 一种光学元件厚度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光学元件厚度测量装置。该装置包含迈克尔逊干涉光路各器件、CCD图像传感器和计算机。该装置搭建迈克尔逊干涉光路，使用固体激光器作为光源发出激光，再使用衰减片降低功率，采用扩束器使激光光束光斑直径变大，经过透镜会聚，与小孔光阑配合得到较为理想的球面光波，采用与光源匹配的单波长偏振分光棱镜作为分束镜，将光束分为两路，两束光都经过成像透镜成像于CCD接收屏，形成等倾干涉条纹。采用CCD摄像机记录干涉条纹图像，经计算机处理后确定干涉图像中干涉圆环的拟合半径，最终通过计算得出被测物厚度。该装置精度高、分辨率高、动态响应快和测量范围大的特点，实现光学元件的在线激光非接触式测量。

Description

一种光学元件厚度测量装置

所属技术领域

本实用新型的技术方案涉及一种利用迈克尔逊等倾干涉法测量光学元件厚度的装置，具体地说是一种在线激光非接触式测量光学元件厚度的装置。

背景技术

传统中通过利用螺旋千分尺或其他具有相同精度的测量仪器对待测光学元件进行人工接触式测量，测量速度较慢，效率低下，并且在一些工业生产中的特定生产环境(比如高温、辐射以及有害气体等)下，无法进行有效的接触测量。随着光干涉测量技术的发展，以迈克尔逊干涉仪为核心器件的光干涉测量技术已经广泛应用于测量元件长度、厚度、透明介质折射率、气体浓度等。利用光学手段进行元件厚度测量，可实现非接触式测量，避免直接接触测量对光学元件表面造成损伤。迈克尔逊干涉仪是利用分振幅方法产生双光束来实现干涉的仪器，可以较容易的获得单色光的等倾干涉条纹。如果合理利用透镜的成像原理和入射光小角度下良好的近似关系，就可利用获得的等倾干涉条纹直径大小简便的确定光学元件的厚度，其中获得干涉条纹直径的变化量是整个测量的关键。传统中干涉条纹直径的测量多为手动测量，会引起较大误差，并且后期数据处理也较为繁琐。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种光学元件厚度测量装置实现光学元件厚度的非接触式测量，通过构建激光测量光路、CCD采集图像、NI视觉软件处理图像实现测量的全过程无人工参与，避免人为误差。与传统方法相比，此种无人工参与全自动的测量装置提高了厚度测量的精确度、分辨力、测量速度和效率。

本实用新型解决该技术问题所采用的技术方案是：装置利用迈克尔逊等倾干涉原理构建迈克尔逊等倾干涉光路，利用CCD进行干涉图像采集，传输到计算机中，利用NI视觉软件对图像进行处理，确定干涉图像中干涉圆环的拟合半径，合理利用透镜的成像原理和入射光小角度下良好的近似关系，确定等倾干涉条纹直径大小与光学被测物的厚度关系，最终通过计算得出被测物厚度。该装置包含有激光器、衰减片、反射镜、扩束器、透镜、小孔光阑、分束镜、可移动反射镜、固定反射镜、成像透镜、CCD和计算机等硬件。

上述装置使用固体激光器(1)发出激光，通过衰减片(2)降低功率，在经过扩束器(3)和透镜L₁(4)后光束会聚经过小孔光阑(5)后得到较为理想的球面光波。再经过与入射光中心呈45度角的分束板(7)，得到两束相干光：一路透射光束(9)传播方向不变，直接穿过分束镜到达反射镜M₁(10)，经过反射镜M₁反射再次到达分束镜，分束镜将光反射使其传播方向改变90°，然后光到达成像透镜L₂(12)；另一路光束(6)由分束镜反射并且将传播方向改变90°到达反射镜M₂(11)，经过反射镜M₂反射回到分束镜，光束再穿过分束镜到达成像透镜L₂(12)，L₂透镜用于将两束相干光汇聚后成像于观测屏(13)。M′₁为M₁的像，当M₁垂直M₂(即M′₁平行M₂)时，在观测屏上即可获得等倾干涉条纹(明、暗交替的同心圆环)。保持光路不变的前提下，在M₂到分束棱镜之间的光路中放入厚度为t，折射率为n的光学被测物(8)，相当于增加了2(n-1)t的光程，通过测量被测物放入光路前、后的等倾干涉条纹不同级次的半径，根据已知被测物折射率n，便可得到被测物厚度。

上述装置使用波长为532nm的固体激光器作为光源发出激光。固体激光器中心波长为532±1nm，功率为20mW，光斑直径为1.2mm。由于激光器功率偏大，使用衰减片减小功率。通过反射镜反射，使得激光光束平行于光学平台。采用扩束器使激光光斑直径变大，经过透镜会聚，与小孔光阑配合得到较为理想的球面光波。同时，小孔光阑可遮挡元件反射的干扰光。采用波长为532nm(与光源匹配)的单波长偏振分光棱镜作为分束镜。分束棱镜将光束分为两路，两束光都经过成像透镜成像于CCD接收屏，形成干涉条纹图像，观察透镜焦距为f＝75mm。

上述装置采用CCD摄像机记录图像，像素尺寸为4.65μm×4.65μm，像素点数为1280×1024。

上述装置采用NI视觉软件中的NI视觉生成器(Vision BuilderAI)对图像进行图像滤波、二值化和干涉圆环拟合处理，得到干涉圆环拟合半径。Vision Builder AI是一个交互式的软件环境，无需编程即可配置、基准对比和发布机器视觉应用程序。

本实用新型的有益效果是：将迈克尔逊等倾干涉原理引入光学元件厚度测量装置，实现非接触式测量，避免直接接触测量对光学元件表面造成损伤。

使用衰减片降低激光功率；使用反射镜保证激光平行于光路系统；使用扩束器、会聚透镜、小孔光阑得到较为理想的球面光波；同时使用小孔光阑遮挡元件反射的干扰光。这些结构保证硬件光路搭建和调试较为完美，光强度分布较为均匀。

使用CCD和Vision Builder AI软件对图像进行采集和处理可以简化操作，避免手动测量引入较大误差，提高元件厚度的测量精度。并且与其他图像处理软件相比，Vision Builder AI软件有大量强大的模块化功能可供用户自由选用，不需要编程，且精度和分辨力均较高，使得本装置中的图像数据处理过程更加简单、快捷、准确。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步详细的说明。为了更清楚地说明本实用新型实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图(现有技术图除外)仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，通过下面的详细说明，本实用新型的上述目的、特征和优点将显而易见；并且在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型一种光学元件厚度测量装置工作原理图。

图2是本实用新型一种光学元件厚度测量装置的结构图。

图3是本实用新型一种光学元件厚度测量装置的软件处理过程示意图。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本实用新型的优选实施例。在此之前需要说明的是，本说明书及权利要求书中所使用的术语或词语不能限定解释为通常的含义或辞典中的含义，而应当立足于为了以最佳方式说明其实用新型发明人可以对术语的概念进行适当定义的原则解释为符合本实用新型技术思想的含义和概念。随之，本说明书所记载的实施例和附图中表示的结构只是本实用新型最佳实施例之一，并不能完全代表本实用新型的技术思想，因此应该理解到对于本实用新型而言可能会存在能够进行替换的各种等同物和变形例。

例如，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性连接于所述第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电性连接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本实用新型的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本实用新型的一般原则为目的，并非用以限定本实用新型的范围。本实用新型的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

图1所示实施例表明，本实用新型一种光学元件厚度测量装置使用固体激光器(1)发出激光，通过衰减片(2)降低功率，在经过扩束器(3)和透镜L₁(4)后光束会聚经过小孔光阑(5)后得到较为理想的球面光波。再经过与入射光中心呈45度角的分束板(7)，得到两束相干光：一路透射光束(9)传播方向不变，直接穿过分束镜到达反射镜M₁(10)，经过反射镜M₁反射再次到达分束镜，分束镜将光反射使其传播方向改变90°，然后光到达成像透镜L₂(12)；另一路光束(6)由分束镜反射并且将传播方向改变90°到达反射镜M₂(11)，经过反射镜M₂反射回到分束镜，光束再穿过分束镜到达成像透镜L₂(12)，L₂透镜用于将两束相干光汇聚后成像于观测屏(13)。M′₁为M₁的像，当M₁垂直M₂(即M′₁平行M₂)时，在观测屏上即可获得等倾干涉条纹(明、暗交替的同心圆环)。保持光路不变的前提下，在M₂到分束棱镜之间的光路中放入厚度为t，折射率为n的光学被测物(8)，相当于增加了2(n-1)t的光程，通过测量被测物放入光路前、后的等倾干涉条纹不同级次的半径，根据已知被测物折射率n，便可得到被测物厚度。

图2所示实施例表明，本实用新型一种光学元件厚度测量装置，包含有激光器、衰减片、反射镜、扩束器、会聚透镜、小孔光阑、分束镜、可移动反射镜、固定反射镜、成像透镜、CCD和计算机。它们组成了迈克尔逊等倾干涉光路，待测载玻片为待测厚度的光学元件。

图3所示实施例表明，本实用新型一种光学元件厚度测量装置，利用Vision Builder AI软件平台对图像进行一系列的数字化处理，包含有图像滤波、图像二值化、干涉圆环拟合和代入公式计算。使用Vision Builder AI软件图像处理时，不需要具体的程序编辑，只需要在平台右下角选择相应的操作命令，就可以将该操作加入程序中，然后在属性窗口中配置适当的参数，运行就可直接在图片窗口看到处理后的图片。首先是去除图像中的噪声信号，通过分析，发现图像的主要噪声信号来源为高斯噪声信号，因此确定了采用3×3模块加权均值滤波器的方式来滤除噪声信号；然后对图像进行了二值化，采用Niblack二值化算法，它主要针对全局阈值法在图像和背景灰度相差明显时容易忽略细节的问题进行优化，选取合适的邻域大小和k值；最后利用Vision Builder AI软件提供的定位特征子集下的寻找圆边函数分别拟合各级次的等倾干涉明条纹圆环，需要对各圆环的内外两边分别拟合，然后取两次拟合半径的平均值作为该圆环的拟合半径，代入到公式中计算得到被测物厚度。

需要注意的是，尽管上述说明示出并描述了本实用新型的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述实用新型构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种光学元件厚度测量装置，其特征在于：使用固体激光器发出激光，通过衰减片降低功率，在经过扩束器和透镜L₁后光束会聚经过小孔光阑后得到较为理想的球面光波；再经过与入射光中心呈45度角的分束板，得到两束相干光，一路透射光束传播方向不变，直接穿过分束镜到达反射镜M₁，经过反射镜M₁反射再次到达分束镜，分束镜将光反射使其传播方向改变90°，然后光到达成像透镜L₂，另一路光由分束镜反射并且将传播方向改变90°到达反射镜M₂，经过反射镜M₂反射回到分束镜，光束再穿过分束镜到达成像透镜L₂，L₂透镜用于将两束相干光汇聚后成像于观测屏，在观测屏上即可获得等倾干涉条纹；保持光路不变的前提下，在M₂到分束棱镜之间的光路中放入厚度为t，折射率为n的光学被测物，相当于增加了2(n-1)t的光程，通过测量被测物放入光路前、后的等倾干涉条纹不同级次的半径，根据已知被测物折射率n，便可得到被测物厚度。

2.根据权利要求1所述一种光学元件厚度测量装置，其特征在于：采用CCD摄像机记录干涉条纹图像。