一種光學(xué)元件厚度測(cè)量裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種光學(xué)元件厚度測(cè)量裝置。該裝置包含邁克爾遜干涉光路各器件、CCD圖像傳感器和計(jì)算機(jī)。該裝置搭建邁克爾遜干涉光路，使用固體激光器作為光源發(fā)出激光，再使用衰減片降低功率，采用擴(kuò)束器使激光光束光斑直徑變大，經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚，與小孔光闌配合得到較為理想的球面光波，采用與光源匹配的單波長(zhǎng)偏振分光棱鏡作為分束鏡，將光束分為兩路，兩束光都經(jīng)過(guò)成像透鏡成像于CCD接收屏，形成等傾干涉條紋。采用CCD攝像機(jī)記錄干涉條紋圖像，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后確定干涉圖像中干涉圓環(huán)的擬合半徑，最終通過(guò)計(jì)算得出被測(cè)物厚度。該裝置精度高、分辨率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和測(cè)量范圍大的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件的在線激光非接觸式測(cè)量。
【專利說(shuō)明】
一種光學(xué)元件厚度測(cè)量裝置所屬
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型的技術(shù)方案涉及一種利用邁克爾遜等傾干涉法測(cè)量光學(xué)元件厚度的裝置，具體地說(shuō)是一種在線激光非接觸式測(cè)量光學(xué)元件厚度的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)中通過(guò)利用螺旋千分尺或其他具有相同精度的測(cè)量?jī)x器對(duì)待測(cè)光學(xué)元件進(jìn)行人工接觸式測(cè)量，測(cè)量速度較慢，效率低下，并且在一些工業(yè)生產(chǎn)中的特定生產(chǎn)環(huán)境(比如高溫、輻射以及有害氣體等)下，無(wú)法進(jìn)行有效的接觸測(cè)量。隨著光干涉測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，以邁克爾遜干涉儀為核心器件的光干涉測(cè)量技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于測(cè)量元件長(zhǎng)度、厚度、透明介質(zhì)折射率、氣體濃度等。利用光學(xué)手段進(jìn)行元件厚度測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，避免直接接觸測(cè)量對(duì)光學(xué)元件表面造成損傷。邁克爾遜干涉儀是利用分振幅方法產(chǎn)生雙光束來(lái)實(shí)現(xiàn)干涉的儀器，可以較容易的獲得單色光的等傾干涉條紋。如果合理利用透鏡的成像原理和入射光小角度下良好的近似關(guān)系，就可利用獲得的等傾干涉條紋直徑大小簡(jiǎn)便的確定光學(xué)元件的厚度，其中獲得干涉條紋直徑的變化量是整個(gè)測(cè)量的關(guān)鍵。傳統(tǒng)中干涉條紋直徑的測(cè)量多為手動(dòng)測(cè)量，會(huì)引起較大誤差，并且后期數(shù)據(jù)處理也較為繁瑣。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種光學(xué)元件厚度測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件厚度的非接觸式測(cè)量，通過(guò)構(gòu)建激光測(cè)量光路、CCD采集圖像、NI視覺軟件處理圖像實(shí)現(xiàn)測(cè)量的全過(guò)程無(wú)人工參與，避免人為誤差。與傳統(tǒng)方法相比，此種無(wú)人工參與全自動(dòng)的測(cè)量裝置提高了厚度測(cè)量的精確度、分辨力、測(cè)量速度和效率。
[0004]本實(shí)用新型解決該技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:裝置利用邁克爾遜等傾干涉原理構(gòu)建邁克爾遜等傾干涉光路，利用CCD進(jìn)行干涉圖像采集，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，利用NI視覺軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理，確定干涉圖像中干涉圓環(huán)的擬合半徑，合理利用透鏡的成像原理和入射光小角度下良好的近似關(guān)系，確定等傾干涉條紋直徑大小與光學(xué)被測(cè)物的厚度關(guān)系，最終通過(guò)計(jì)算得出被測(cè)物厚度。該裝置包含有激光器、衰減片、反射鏡、擴(kuò)束器、透鏡、小孔光闌、分束鏡、可移動(dòng)反射鏡、固定反射鏡、成像透鏡、CCD和計(jì)算機(jī)等硬件。
[0005]上述裝置使用固體激光器(I)發(fā)出激光，通過(guò)衰減片(2)降低功率，在經(jīng)過(guò)擴(kuò)束器
(3)和透鏡L1H)后光束會(huì)聚經(jīng)過(guò)小孔光闌(5)后得到較為理想的球面光波。再經(jīng)過(guò)與入射光中心呈45度角的分束板(7)，得到兩束相干光:一路透射光束(9)傳播方向不變，直接穿過(guò)分束鏡到達(dá)反射鏡M1 (10),經(jīng)過(guò)反射鏡M1反射再次到達(dá)分束鏡，分束鏡將光反射使其傳播方向改變90°，然后光到達(dá)成像透鏡L2 (12)；另一路光束(6)由分束鏡反射并且將傳播方向改變90°到達(dá)反射鏡M2(II)，經(jīng)過(guò)反射鏡此反射回到分束鏡，光束再穿過(guò)分束鏡到達(dá)成像透鏡L2( 12)兒2透鏡用于將兩束相干光匯聚后成像于觀測(cè)屏(13) JSSM1的像，當(dāng)M1垂直M2(SPMS平行M2)時(shí)，在觀測(cè)屏上即可獲得等傾干涉條紋(明、暗交替的同心圓環(huán))。保持光路不變的前提下，在此到分束棱鏡之間的光路中放入厚度為t，折射率為η的光學(xué)被測(cè)物(8)，相當(dāng)于增加了 2(n-l)t的光程，通過(guò)測(cè)量被測(cè)物放入光路前、后的等傾干涉條紋不同級(jí)次的半徑，根據(jù)已知被測(cè)物折射率η，便可得到被測(cè)物厚度。
[0006]上述裝置使用波長(zhǎng)為532nm的固體激光器作為光源發(fā)出激光。固體激光器中心波長(zhǎng)為532±111111，功率為20111￥，光斑直徑為1.2111111。由于激光器功率偏大，使用衰減片減小功率。通過(guò)反射鏡反射，使得激光光束平行于光學(xué)平臺(tái)。采用擴(kuò)束器使激光光斑直徑變大，經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚，與小孔光闌配合得到較為理想的球面光波。同時(shí)，小孔光闌可遮擋元件反射的干擾光。米用波長(zhǎng)為532nm(與光源匹配)的單波長(zhǎng)偏振分光棱鏡作為分束鏡。分束棱鏡將光束分為兩路，兩束光都經(jīng)過(guò)成像透鏡成像于CCD接收屏，形成干涉條紋圖像，觀察透鏡焦距為 f = 75mm0
[0007]上述裝置采用C⑶攝像機(jī)記錄圖像，像素尺寸為4.65μπιΧ4.65μπι，像素點(diǎn)數(shù)為1280X 1024。
[0008]上述裝置采用NI視覺軟件中的NI視覺生成器(Vis1n Builder Al)對(duì)圖像進(jìn)行圖像濾波、二值化和干涉圓環(huán)擬合處理，得到干涉圓環(huán)擬合半徑。Vis1n Builder Al是一個(gè)交互式的軟件環(huán)境，無(wú)需編程即可配置、基準(zhǔn)對(duì)比和發(fā)布機(jī)器視覺應(yīng)用程序。
[0009]本實(shí)用新型的有益效果是:將邁克爾遜等傾干涉原理引入光學(xué)元件厚度測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，避免直接接觸測(cè)量對(duì)光學(xué)元件表面造成損傷。
[0010]使用衰減片降低激光功率;使用反射鏡保證激光平行于光路系統(tǒng);使用擴(kuò)束器、會(huì)聚透鏡、小孔光闌得到較為理想的球面光波；同時(shí)使用小孔光闌遮擋元件反射的干擾光。這些結(jié)構(gòu)保證硬件光路搭建和調(diào)試較為完美，光強(qiáng)度分布較為均勻。
[0011]使用CXD和Vis1n Builder Al軟件對(duì)圖像進(jìn)行采集和處理可以簡(jiǎn)化操作，避免手動(dòng)測(cè)量引入較大誤差，提高元件厚度的測(cè)量精度。并且與其他圖像處理軟件相比，Vis1nBuilder Al軟件有大量強(qiáng)大的模塊化功能可供用戶自由選用，不需要編程，且精度和分辨力均較高，使得本裝置中的圖像數(shù)據(jù)處理過(guò)程更加簡(jiǎn)單、快捷、準(zhǔn)確。
【附圖說(shuō)明】
[0012]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖(現(xiàn)有技術(shù)圖除外)僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，通過(guò)下面的詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)用新型的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見;并且在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0013]圖1是本實(shí)用新型一種光學(xué)元件厚度測(cè)量裝置工作原理圖。
[0014]圖2是本實(shí)用新型一種光學(xué)元件厚度測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖3是本實(shí)用新型一種光學(xué)元件厚度測(cè)量裝置的軟件處理過(guò)程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]以下，參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例。在此之前需要說(shuō)明的是，本說(shuō)明書及權(quán)利要求書中所使用的術(shù)語(yǔ)或詞語(yǔ)不能限定解釋為通常的含義或辭典中的含義，而應(yīng)當(dāng)立足于為了以最佳方式說(shuō)明其實(shí)用新型發(fā)明人可以對(duì)術(shù)語(yǔ)的概念進(jìn)行適當(dāng)定義的原則解釋為符合本實(shí)用新型技術(shù)思想的含義和概念。隨之，本說(shuō)明書所記載的實(shí)施例和附圖中表示的結(jié)構(gòu)只是本實(shí)用新型最佳實(shí)施例之一，并不能完全代表本實(shí)用新型的技術(shù)思想，因此應(yīng)該理解到對(duì)于本實(shí)用新型而言可能會(huì)存在能夠進(jìn)行替換的各種等同物和變形例。
[0017]例如，在說(shuō)明書及權(quán)利要求當(dāng)中使用了某些詞匯來(lái)指稱特定組件。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)可理解，硬件制造商可能會(huì)用不同名詞來(lái)稱呼同一個(gè)組件。本說(shuō)明書及權(quán)利要求并不以名稱的差異來(lái)作為區(qū)分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來(lái)作為區(qū)分的準(zhǔn)則。在通篇說(shuō)明書及權(quán)利要求當(dāng)中所提及的“包含”為一開放式用語(yǔ)，故應(yīng)解釋成“包含但不限定于”?！按笾隆笔侵冈诳山邮盏恼`差范圍內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在一定誤差范圍內(nèi)解決所述技術(shù)問(wèn)題，基本達(dá)到所述技術(shù)效果。此外，“耦接”一詞在此包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接于一第二裝置，則代表所述第一裝置可直接電性連接于所述第二裝置，或通過(guò)其他裝置或連接手段間接地電性連接至所述第二裝置。說(shuō)明書后續(xù)描述為實(shí)施本實(shí)用新型的較佳實(shí)施方式，然所述描述乃以說(shuō)明本實(shí)用新型的一般原則為目的，并非用以限定本實(shí)用新型的范圍。本實(shí)用新型的保護(hù)范圍當(dāng)視所附權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。
[0018]圖1所示實(shí)施例表明，本實(shí)用新型一種光學(xué)元件厚度測(cè)量裝置使用固體激光器(I)發(fā)出激光，通過(guò)衰減片(2)降低功率，在經(jīng)過(guò)擴(kuò)束器(3)和透鏡U(4)后光束會(huì)聚經(jīng)過(guò)小孔光闌(5)后得到較為理想的球面光波。再經(jīng)過(guò)與入射光中心呈45度角的分束板(7)，得到兩束相干光:一路透射光束(9)傳播方向不變，直接穿過(guò)分束鏡到達(dá)反射鏡M1 (10),經(jīng)過(guò)反射鏡M1反射再次到達(dá)分束鏡，分束鏡將光反射使其傳播方向改變90°，然后光到達(dá)成像透鏡L2
(12);另一路光束(6)由分束鏡反射并且將傳播方向改變90°到達(dá)反射鏡M2 (11)，經(jīng)過(guò)反射鏡跑反射回到分束鏡，光束再穿過(guò)分束鏡到達(dá)成像透鏡L2(12)，L2透鏡用于將兩束相干光匯聚后成像于觀測(cè)屏(^丨^^為見的像’當(dāng)見垂直跑丨即,!平行M2)時(shí)，在觀測(cè)屏上即可獲得等傾干涉條紋(明、暗交替的同心圓環(huán))。保持光路不變的前提下，在Mglj分束棱鏡之間的光路中放入厚度為t，折射率為η的光學(xué)被測(cè)物(8)，相當(dāng)于增加了 2(n-l)t的光程，通過(guò)測(cè)量被測(cè)物放入光路前、后的等傾干涉條紋不同級(jí)次的半徑，根據(jù)已知被測(cè)物折射率n，便可得到被測(cè)物厚度。
[0019]圖2所示實(shí)施例表明，本實(shí)用新型一種光學(xué)元件厚度測(cè)量裝置，包含有激光器、衰減片、反射鏡、擴(kuò)束器、會(huì)聚透鏡、小孔光闌、分束鏡、可移動(dòng)反射鏡、固定反射鏡、成像透鏡、CCD和計(jì)算機(jī)。它們組成了邁克爾遜等傾干涉光路，待測(cè)載玻片為待測(cè)厚度的光學(xué)元件。
[0020]圖3所示實(shí)施例表明，本實(shí)用新型一種光學(xué)元件厚度測(cè)量裝置，利用Vis1nBuilder Al軟件平臺(tái)對(duì)圖像進(jìn)行一系列的數(shù)字化處理，包含有圖像濾波、圖像二值化、干涉圓環(huán)擬合和代入公式計(jì)算。使用Vis1n Builder Al軟件圖像處理時(shí)，不需要具體的程序編輯，只需要在平臺(tái)右下角選擇相應(yīng)的操作命令，就可以將該操作加入程序中，然后在屬性窗口中配置適當(dāng)?shù)膮?shù)，運(yùn)行就可直接在圖片窗口看到處理后的圖片。首先是去除圖像中的噪聲信號(hào)，通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)圖像的主要噪聲信號(hào)來(lái)源為高斯噪聲信號(hào)，因此確定了采用3X3模塊加權(quán)均值濾波器的方式來(lái)濾除噪聲信號(hào);然后對(duì)圖像進(jìn)行了二值化，采用Niblack 二值化算法，它主要針對(duì)全局閾值法在圖像和背景灰度相差明顯時(shí)容易忽略細(xì)節(jié)的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，選取合適的鄰域大小和k值;最后利用Vis1n Builder Al軟件提供的定位特征子集下的尋找圓邊函數(shù)分別擬合各級(jí)次的等傾干涉明條紋圓環(huán)，需要對(duì)各圓環(huán)的內(nèi)外兩邊分別擬合，然后取兩次擬合半徑的平均值作為該圓環(huán)的擬合半徑，代入到公式中計(jì)算得到被測(cè)物厚度。
[0021]需要注意的是，盡管上述說(shuō)明示出并描述了本實(shí)用新型的若干優(yōu)選實(shí)施例，但如前所述，應(yīng)當(dāng)理解本實(shí)用新型并非局限于本文所披露的形式，不應(yīng)看作是對(duì)其他實(shí)施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境，并能夠在本文所述實(shí)用新型構(gòu)想范圍內(nèi)，通過(guò)上述教導(dǎo)或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識(shí)進(jìn)行改動(dòng)。而本領(lǐng)域人員所進(jìn)行的改動(dòng)和變化不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍，則都應(yīng)在本實(shí)用新型所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種光學(xué)元件厚度測(cè)量裝置，其特征在于:使用固體激光器發(fā)出激光，通過(guò)衰減片降低功率，在經(jīng)過(guò)擴(kuò)束器和透鏡1^后光束會(huì)聚經(jīng)過(guò)小孔光闌后得到較為理想的球面光波;再經(jīng)過(guò)與入射光中心呈45度角的分束板，得到兩束相干光，一路透射光束傳播方向不變，直接穿過(guò)分束鏡到達(dá)反射鏡見，經(jīng)過(guò)反射鏡M1反射再次到達(dá)分束鏡，分束鏡將光反射使其傳播方向改變90°，然后光到達(dá)成像透鏡L2，另一路光由分束鏡反射并且將傳播方向改變90°到達(dá)反射鏡M2,經(jīng)過(guò)反射鏡跑反射回到分束鏡，光束再穿過(guò)分束鏡到達(dá)成像透鏡L2,1^透鏡用于將兩束相干光匯聚后成像于觀測(cè)屏，在觀測(cè)屏上即可獲得等傾干涉條紋;保持光路不變的前提下，在跑到分束棱鏡之間的光路中放入厚度為t，折射率為η的光學(xué)被測(cè)物，相當(dāng)于增加了 2(n-l)t的光程，通過(guò)測(cè)量被測(cè)物放入光路前、后的等傾干涉條紋不同級(jí)次的半徑，根據(jù)已知被測(cè)物折射率η，便可得到被測(cè)物厚度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種光學(xué)元件厚度測(cè)量裝置，其特征在于:采用CCD攝像機(jī)記錄干涉條紋圖像。
【文檔編號(hào)】G01B11/06GK205642302SQ201620472549
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月24日
【發(fā)明人】周冀馨
【申請(qǐng)人】周冀馨