薄透明介質性質非接觸測量儀的製作方法

2023-07-04 10:20:02 2

本發明為光學元件非接觸測量裝置，內容涉及：光學(雷射、麥可遜幹涉儀)、數字成像(CCD成像)、信號傳感器(光敏電阻)、機械(步進電機和齒輪)、軟體程序

背景技術：

在當今高端製造業和精密實驗中，人們越來越多地需要精密的薄透明介質，在使用前我們需要精確地知道它的厚度和折射率等相關基本參數，由於要防止劃傷表面，我們需要避免使用接觸式測量，因此非接觸測量成為了唯一的手段。

而現在的非接觸測量手段，諸如：雷射測距、運動頻移……對於厚度較高的透明介質具有良好的精度，而對於較薄的介質往往精度很低甚至測不出數據，而專門為薄介質設計的測量手段，如：衍射條紋、幹涉移動……往往對超薄介質有較高的精度，相對較厚的介質測量精度往往不夠，甚至會超出量程。

特別的，在光學實驗室中我們有精密打磨的光學元件，諸如：玻璃片、波片……而實現對相位的準確控制，則更需要多的有效位數保證實驗的精確度。

因此有必要專門對一般厚度的透明介質設計一款高精度的測量儀。

麥可遜幹涉儀從發明問世到現在已經有百餘年的歷史，雷射、數字成像、傳感器、機械和軟體程序也早已發展成熟並向尖端技術發展，而利用這樣的成熟領域的組合完全可以實現我們的目的。

技術實現要素：

本發明是一種以麥可遜幹涉儀為主體的測量儀，包括雷射器、半反半透鏡、兩個相同的平面鏡(第一平面鏡和第二平面鏡)、步進電機、齒輪組(包括一個大齒輪和一個小齒輪，比例關係為5∶1)、高解析度CCD數字成像板、靈敏光強探測器、兩個垂直插槽(第一垂直插槽和第二垂直插槽)、減震隔離板、中央處理器和顯示屏。附圖1為俯視圖，附圖2為正視圖(倒放，地板在上)。

選用單色性好的雷射器作為光源(選擇對數字成像板和光強探測器反應靈敏的波長)，出射口套上中央帶孔的高解析度CCD數字成像板。成像板嚴格垂直於光路，雷射器取向和成像板嚴格固定在儀器堅固且隔熱的外殼上，以保持方向不變，隔熱的目的是防止熱脹冷縮造成取向發生微小改變。

當薄透明片放在圖示3處的第一垂直插槽時，成像板上會呈現等傾幹涉條紋，CCD檢測並記錄各個暗環上最暗的位置傳輸到處理器上，處理器計算出各級暗環的半徑，將條紋半徑的平方值和條紋級次的對應關係進行線性數據擬合，得到圖像斜率的值及其不確定度，將數據儲存到位置a待用。

第一垂直插槽應嚴格垂直光路，並固定在儀器上，前端到成像板的距離測量為定值並作為常數c儲存在處理器中。兩個垂直插槽同等材料構造，槽壁內側裝有海綿狀的緩衝物以防止劃傷待測透明片的表面，並且配合以合適力度的彈簧夾(前端固定後端移動)用以穩定固定待測透明片，垂直插槽的深度要較深，以便減少由於材料的彎曲帶來的測量誤差。

CCD和夾持彈簧由處理器中的控制電路操控，並在顯示器所在的操作板上安裝開關(記作開關一)和確認鍵，按下確認鍵時彈簧夾持待測物，並設計電路判斷夾持是否穩定，將信息返回「true/force」到處理器以開啟下一步程序。當返回值為「true」則提示按下開關一，啟動CCD；當返回值為「force」則提示重新安裝待測物。

啟動CCD後，會將成像信息發送到處理器進行運算，信息發送完畢後CCD自動回到待機狀態，並提示進行下一步操作。在測量完成前，電路會防止誤觸開關一啟動CCD，並要求一定是按下確認鍵後才可啟動開關一。

半反半透鏡和兩塊平面鏡嚴格固定在儀器上，取向要保證在靈敏光強探測器的中央出現穩定的等傾幹涉條紋，並且調整兩臂光程差幾乎為零。兩平面鏡的鏡面大小和光強反射率要基本相同。

光強探測器中央安放靈敏的光敏電阻，記錄光強隨時間的變化，記錄光強的變化和步進電機旋轉同時開始，由於空間狹窄光速很快，因此時間差可以忽略。步進電機旋轉的角度(脈衝數)隨時間的關係記錄下來，傳到處理器可以得到光強隨時間變化和旋轉角度的關係，將各個光強極小值所對應的角度的平方值與對應的第幾個極小值的自然數進行線性數據擬合，得到圖像斜率的值及其不確定度，將數據儲存到位置b待用。

理論計算得到的結果為透明片的厚度為折射率為其中t2為數據b的值，t1為數據a的值，H為數據c的值，λ為所用雷射器的波長。

齒輪的軸心嚴格固定在減震隔離板上，大小齒輪5∶1應咬合完美，按此大小比例可以將步進電機的角度「放慢」以便精確測量出玻璃片轉過的角度。6處的垂直插槽嚴格固定在大齒輪上，並且轉軸嚴格垂直光路與齒輪。小齒輪受步進電機驅動，轉動緩慢、穩定、無振動。

步進電機和光強探測器由處理器的控制電路操控，並在顯示器所在的操作板上安裝開關(記作開關二)，按下確認鍵時彈簧夾持待測物，並設計電路判斷夾持是否穩定，將信息返回「true/force」到處理器以開啟下一步程序。當返回值為「true」則提示按下開關二，啟動CCD；當返回值為「force」則提示重新安裝待測物。

按下開關二，步進電機和光強探測器後，會將儲存信息發送到處理器進行運算，信息發送完畢後步進電機和光強探測器自動回到初始待機狀態，並提示進行下一步操作。在測量完成前，電路會防止誤觸開關二，並要求一定是按下確認鍵後才可啟動開關二。

運算完畢後輸入測量值，並提示按下確認鍵和信息儲存。

減震隔離板將儀器分成上下兩層，上層為光學部，光學元件全在此部分，位置取向要求精密，並且要做到嚴格防震，元件避免與隔離板發生接觸；下層為驅動部，步進電機、處理器、控制電路等在此放置。

外層套上同減震隔離板同等材質的導熱性弱、強度高的外殼，並在兩個垂直插槽上方開放兩個插口：第一插槽對應2.5mm寬的的矩形插口，第二插槽對應直徑4cm的圓形插口。

根據製作材料判斷最大儀器誤差，並明確貼在儀器明顯位置。

該儀器為一般厚度的薄透明片提供了精確的測量，量程為0.2mm到20mm，精確度達到0.001mm、誤差不超過0.0005mm，充分滿足了科研精密測量的需求。

【附圖說明】

1.雷射器 2.中央帶孔的CCD數字成像板 3.第一垂直插槽1 4.小齒輪(步進電機帶動) 5.平面鏡1 6.第二垂直插槽2 7.大齒輪 8.平面鏡 9.光強探測器 10.半反半透鏡 11.待測透明片 12.插口 13.轉軸 14.步進電機 15.支撐架 16.減震隔離板 17.處理器、顯示器及電源、開關等必要部件 18.外殼

【具體實施方式】

連接電源，打開總開關，啟動雷射器，預啟動CCD數字成像板、靈敏光強探測器和步進電機。顯示器顯示「開機中……請稍後」。

全機預熱兩分鐘後，顯示器顯示「請將待測片裝入矩形插口，穩定後按下確認鍵」，將待測片插入口1(圖2：12左側)，按下確認後，儀器穩定而無傷害地自動夾持住待測透明片，顯示器顯示「夾持穩定，請打開開關一」。若夾持未穩定則顯示「夾持故障，請取出待測片，重新裝入矩形插口」，並進行重新安裝。

打開開關一，啟動CCD數字成像板，成像板記錄幹涉條紋的信息後將數據發送到處理器上，顯示器顯示「測量進行中……請稍後」，發送完畢後，CCD自動回到預啟動狀態，顯示器顯示「測量完畢，請將待測片取出裝入圓形插口，穩定後按下確認鍵」。電路設計時加裝了防誤啟動CCD的設計。

將待測片插入口2(圖2：12右側)，按下確認後，儀器穩定而無傷害地自動夾持住待測透明片，顯示器顯示「夾持穩定，請打開開關二」。若夾持未穩定則顯示「夾持故障，請取出待測片，重新裝入圓形插口」，並進行重新安裝。

打開開關二，延時1秒同時啟動靈敏光強探測器和步進電機CCD，步進電機穩定而緩慢(5s以上轉完，角速度恆定)地轉過25°後停止記錄數據並將數據發送到處理器上，顯示器顯示「測量進行中……請稍後」。發送完畢後，步進電機自動回到初始位置，探測器和電機回到預啟動狀態。注意在操作過程中，禁止手動轉動步進電機以免損毀電機和待測片。

顯示器顯示「計算中……請稍後」，處理器進行快速運算，運算完畢後將結果呈現在顯示器上，顯示出厚度的測量值和不確定度，並提示存儲數據。顯示「請按下確認鍵，完成本次測量」。

按下確認鍵，一次測量完成。

可以進行後續的測量或者關機存放。

存放中注意乾燥、低溫、避免陽光直射、避免磕碰。