本發(fā)明為光學(xué)元件非接觸測(cè)量裝置，內(nèi)容涉及：光學(xué)(激光、邁克爾遜干涉儀)、數(shù)字成像(CCD成像)、信號(hào)傳感器(光敏電阻)、機(jī)械(步進(jìn)電機(jī)和齒輪)、軟件程序

背景技術(shù)：

在當(dāng)今高端制造業(yè)和精密實(shí)驗(yàn)中，人們?cè)絹?lái)越多地需要精密的薄透明介質(zhì)，在使用前我們需要精確地知道它的厚度和折射率等相關(guān)基本參數(shù)，由于要防止劃傷表面，我們需要避免使用接觸式測(cè)量，因此非接觸測(cè)量成為了唯一的手段。

而現(xiàn)在的非接觸測(cè)量手段，諸如：激光測(cè)距、運(yùn)動(dòng)頻移……對(duì)于厚度較高的透明介質(zhì)具有良好的精度，而對(duì)于較薄的介質(zhì)往往精度很低甚至測(cè)不出數(shù)據(jù)，而專(zhuān)門(mén)為薄介質(zhì)設(shè)計(jì)的測(cè)量手段，如：衍射條紋、干涉移動(dòng)……往往對(duì)超薄介質(zhì)有較高的精度，相對(duì)較厚的介質(zhì)測(cè)量精度往往不夠，甚至?xí)隽砍獭?/p>

特別的，在光學(xué)實(shí)驗(yàn)室中我們有精密打磨的光學(xué)元件，諸如：玻璃片、波片……而實(shí)現(xiàn)對(duì)相位的準(zhǔn)確控制，則更需要多的有效位數(shù)保證實(shí)驗(yàn)的精確度。

因此有必要專(zhuān)門(mén)對(duì)一般厚度的透明介質(zhì)設(shè)計(jì)一款高精度的測(cè)量?jī)x。

邁克爾遜干涉儀從發(fā)明問(wèn)世到現(xiàn)在已經(jīng)有百余年的歷史，激光、數(shù)字成像、傳感器、機(jī)械和軟件程序也早已發(fā)展成熟并向尖端技術(shù)發(fā)展，而利用這樣的成熟領(lǐng)域的組合完全可以實(shí)現(xiàn)我們的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是一種以邁克爾遜干涉儀為主體的測(cè)量?jī)x，包括激光器、半反半透鏡、兩個(gè)相同的平面鏡(第一平面鏡和第二平面鏡)、步進(jìn)電機(jī)、齒輪組(包括一個(gè)大齒輪和一個(gè)小齒輪，比例關(guān)系為5∶1)、高分辨率CCD數(shù)字成像板、靈敏光強(qiáng)探測(cè)器、兩個(gè)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)。

選用單色性好的激光器作為光源(選擇對(duì)數(shù)字成像板和光強(qiáng)探測(cè)器反應(yīng)靈敏的波長(zhǎng))，出射口套上中央帶孔的高分辨率CCD數(shù)字成像板。成像板嚴(yán)格垂直于光路，激光器取向和成像板嚴(yán)格固定在儀器堅(jiān)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(fā)生微小改變。

當(dāng)薄透明片放在圖示3處的第一垂直插槽時(shí)，成像板上會(huì)呈現(xiàn)等傾干涉條紋，CCD檢測(cè)并記錄各個(gè)暗環(huán)上最暗的位置傳輸?shù)教幚砥魃希幚砥饔?jì)算出各級(jí)暗環(huán)的半徑，將條紋半徑的平方值和條紋級(jí)次的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行線性數(shù)據(jù)擬合，得到圖像斜率的值及其不確定度，將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到位置a待用。

第一垂直插槽應(yīng)嚴(yán)格垂直光路，并固定在儀器上，前端到成像板的距離測(cè)量為定值并作為常數(shù)c儲(chǔ)存在處理器中。兩個(gè)垂直插槽同等材料構(gòu)造，槽壁內(nèi)側(cè)裝有海綿狀的緩沖物以防止劃傷待測(cè)透明片的表面，并且配合以合適力度的彈簧夾(前端固定后端移動(dòng))用以穩(wěn)定固定待測(cè)透明片，垂直插槽的深度要較深，以便減少由于材料的彎曲帶來(lái)的測(cè)量誤差。

CCD和夾持彈簧由處理器中的控制電路操控，并在顯示器所在的操作板上安裝開(kāi)關(guān)(記作開(kāi)關(guān)一)和確認(rèn)鍵，按下確認(rèn)鍵時(shí)彈簧夾持待測(cè)物，并設(shè)計(jì)電路判斷夾持是否穩(wěn)定，將信息返回“true/force”到處理器以開(kāi)啟下一步程序。當(dāng)返回值為“true”則提示按下開(kāi)關(guān)一，啟動(dòng)CCD；當(dāng)返回值為“force”則提示重新安裝待測(cè)物。

啟動(dòng)CCD后，會(huì)將成像信息發(fā)送到處理器進(jìn)行運(yùn)算，信息發(fā)送完畢后CCD自動(dòng)回到待機(jī)狀態(tài)，并提示進(jìn)行下一步操作。在測(cè)量完成前，電路會(huì)防止誤觸開(kāi)關(guān)一啟動(dòng)CCD，并要求一定是按下確認(rèn)鍵后才可啟動(dòng)開(kāi)關(guān)一。

半反半透鏡和兩塊平面鏡嚴(yán)格固定在儀器上，取向要保證在靈敏光強(qiáng)探測(cè)器的中央出現(xiàn)穩(wěn)定的等傾干涉條紋，并且調(diào)整兩臂光程差幾乎為零。兩平面鏡的鏡面大小和光強(qiáng)反射率要基本相同。

光強(qiáng)探測(cè)器中央安放靈敏的光敏電阻，記錄光強(qiáng)隨時(shí)間的變化，記錄光強(qiáng)的變化和步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)同時(shí)開(kāi)始，由于空間狹窄光速很快，因此時(shí)間差可以忽略。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度(脈沖數(shù))隨時(shí)間的關(guān)系記錄下來(lái)，傳到處理器可以得到光強(qiáng)隨時(shí)間變化和旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系，將各個(gè)光強(qiáng)極小值所對(duì)應(yīng)的角度的平方值與對(duì)應(yīng)的第幾個(gè)極小值的自然數(shù)進(jìn)行線性數(shù)據(jù)擬合，得到圖像斜率的值及其不確定度，將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到位置b待用。

理論計(jì)算得到的結(jié)果為透明片的厚度為折射率為其中t₂為數(shù)據(jù)b的值，t₁為數(shù)據(jù)a的值，H為數(shù)據(jù)c的值，λ為所用激光器的波長(zhǎng)。

齒輪的軸心嚴(yán)格固定在減震隔離板上，大小齒輪5∶1應(yīng)咬合完美，按此大小比例可以將步進(jìn)電機(jī)的角度“放慢”以便精確測(cè)量出玻璃片轉(zhuǎn)過(guò)的角度。6處的垂直插槽嚴(yán)格固定在大齒輪上，并且轉(zhuǎn)軸嚴(yán)格垂直光路與齒輪。小齒輪受步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)緩慢、穩(wěn)定、無(wú)振動(dòng)。

步進(jìn)電機(jī)和光強(qiáng)探測(cè)器由處理器的控制電路操控，并在顯示器所在的操作板上安裝開(kāi)關(guān)(記作開(kāi)關(guān)二)，按下確認(rèn)鍵時(shí)彈簧夾持待測(cè)物，并設(shè)計(jì)電路判斷夾持是否穩(wěn)定，將信息返回“true/force”到處理器以開(kāi)啟下一步程序。當(dāng)返回值為“true”則提示按下開(kāi)關(guān)二，啟動(dòng)CCD；當(dāng)返回值為“force”則提示重新安裝待測(cè)物。

按下開(kāi)關(guān)二，步進(jìn)電機(jī)和光強(qiáng)探測(cè)器后，會(huì)將儲(chǔ)存信息發(fā)送到處理器進(jìn)行運(yùn)算，信息發(fā)送完畢后步進(jìn)電機(jī)和光強(qiáng)探測(cè)器自動(dòng)回到初始待機(jī)狀態(tài)，并提示進(jìn)行下一步操作。在測(cè)量完成前，電路會(huì)防止誤觸開(kāi)關(guān)二，并要求一定是按下確認(rèn)鍵后才可啟動(dòng)開(kāi)關(guān)二。

運(yùn)算完畢后輸入測(cè)量值，并提示按下確認(rèn)鍵和信息儲(chǔ)存。

減震隔離板將儀器分成上下兩層，上層為光學(xué)部，光學(xué)元件全在此部分，位置取向要求精密，并且要做到嚴(yán)格防震，元件避免與隔離板發(fā)生接觸；下層為驅(qū)動(dòng)部，步進(jìn)電機(jī)、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(zhì)的導(dǎo)熱性弱、強(qiáng)度高的外殼，并在兩個(gè)垂直插槽上方開(kāi)放兩個(gè)插口：第一插槽對(duì)應(yīng)2.5mm寬的的矩形插口，第二插槽對(duì)應(yīng)直徑4cm的圓形插口。

根據(jù)制作材料判斷最大儀器誤差，并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(cè)量，量程為0.2mm到20mm，精確度達(dá)到0.001mm、誤差不超過(guò)0.0005mm，充分滿足了科研精密測(cè)量的需求。

【附圖說(shuō)明】

1.激光器 2.中央帶孔的CCD數(shù)字成像板 3.第一垂直插槽1 4.小齒輪(步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)) 5.平面鏡1 6.第二垂直插槽2 7.大齒輪 8.平面鏡 9.光強(qiáng)探測(cè)器 10.半反半透鏡 11.待測(cè)透明片 12.插口 13.轉(zhuǎn)軸 14.步進(jìn)電機(jī) 15.支撐架 16.減震隔離板 17.處理器、顯示器及電源、開(kāi)關(guān)等必要部件 18.外殼

【具體實(shí)施方式】

連接電源，打開(kāi)總開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)激光器，預(yù)啟動(dòng)CCD數(shù)字成像板、靈敏光強(qiáng)探測(cè)器和步進(jìn)電機(jī)。顯示器顯示“開(kāi)機(jī)中……請(qǐng)稍后”。

全機(jī)預(yù)熱兩分鐘后，顯示器顯示“請(qǐng)將待測(cè)片裝入矩形插口，穩(wěn)定后按下確認(rèn)鍵”，將待測(cè)片插入口1(圖2：12左側(cè))，按下確認(rèn)后，儀器穩(wěn)定而無(wú)傷害地自動(dòng)夾持住待測(cè)透明片，顯示器顯示“夾持穩(wěn)定，請(qǐng)打開(kāi)開(kāi)關(guān)一”。若夾持未穩(wěn)定則顯示“夾持故障，請(qǐng)取出待測(cè)片，重新裝入矩形插口”，并進(jìn)行重新安裝。

打開(kāi)開(kāi)關(guān)一，啟動(dòng)CCD數(shù)字成像板，成像板記錄干涉條紋的信息后將數(shù)據(jù)發(fā)送到處理器上，顯示器顯示“測(cè)量進(jìn)行中……請(qǐng)稍后”，發(fā)送完畢后，CCD自動(dòng)回到預(yù)啟動(dòng)狀態(tài)，顯示器顯示“測(cè)量完畢，請(qǐng)將待測(cè)片取出裝入圓形插口，穩(wěn)定后按下確認(rèn)鍵”。電路設(shè)計(jì)時(shí)加裝了防誤啟動(dòng)CCD的設(shè)計(jì)。

將待測(cè)片插入口2(圖2：12右側(cè))，按下確認(rèn)后，儀器穩(wěn)定而無(wú)傷害地自動(dòng)夾持住待測(cè)透明片，顯示器顯示“夾持穩(wěn)定，請(qǐng)打開(kāi)開(kāi)關(guān)二”。若夾持未穩(wěn)定則顯示“夾持故障，請(qǐng)取出待測(cè)片，重新裝入圓形插口”，并進(jìn)行重新安裝。

打開(kāi)開(kāi)關(guān)二，延時(shí)1秒同時(shí)啟動(dòng)靈敏光強(qiáng)探測(cè)器和步進(jìn)電機(jī)CCD，步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定而緩慢(5s以上轉(zhuǎn)完，角速度恒定)地轉(zhuǎn)過(guò)25°后停止記錄數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到處理器上，顯示器顯示“測(cè)量進(jìn)行中……請(qǐng)稍后”。發(fā)送完畢后，步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)回到初始位置，探測(cè)器和電機(jī)回到預(yù)啟動(dòng)狀態(tài)。注意在操作過(guò)程中，禁止手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)以免損毀電機(jī)和待測(cè)片。

顯示器顯示“計(jì)算中……請(qǐng)稍后”，處理器進(jìn)行快速運(yùn)算，運(yùn)算完畢后將結(jié)果呈現(xiàn)在顯示器上，顯示出厚度的測(cè)量值和不確定度，并提示存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。顯示“請(qǐng)按下確認(rèn)鍵，完成本次測(cè)量”。

按下確認(rèn)鍵，一次測(cè)量完成。

可以進(jìn)行后續(xù)的測(cè)量或者關(guān)機(jī)存放。

存放中注意干燥、低溫、避免陽(yáng)光直射、避免磕碰。