[发明专利]薄透明介质性质非接触测量仪

说明书

【技术领域】

本发明为光学元件非接触测量装置，内容涉及：光学(激光、迈克尔逊干涉仪)、数字成像(CCD成像)、信号传感器(光敏电阻)、机械(步进电机和齿轮)、软件程序

【背景技术】

在当今高端制造业和精密实验中，人们越来越多地需要精密的薄透明介质，在使用前我们需要精确地知道它的厚度和折射率等相关基本参数，由于要防止划伤表面，我们需要避免使用接触式测量，因此非接触测量成为了唯一的手段。

而现在的非接触测量手段，诸如：激光测距、运动频移……对于厚度较高的透明介质具有良好的精度，而对于较薄的介质往往精度很低甚至测不出数据，而专门为薄介质设计的测量手段，如：衍射条纹、干涉移动……往往对超薄介质有较高的精度，相对较厚的介质测量精度往往不够，甚至会超出量程。

特别的，在光学实验室中我们有精密打磨的光学元件，诸如：玻璃片、波片……而实现对相位的准确控制，则更需要多的有效位数保证实验的精确度。

因此有必要专门对一般厚度的透明介质设计一款高精度的测量仪。

迈克尔逊干涉仪从发明问世到现在已经有百余年的历史，激光、数字成像、传感器、机械和软件程序也早已发展成熟并向尖端技术发展，而利用这样的成熟领域的组合完全可以实现我们的目的。

【发明内容】

本发明是一种以迈克尔逊干涉仪为主体的测量仪，包括激光器、半反半透镜、两个相同的平面镜(第一平面镜和第二平面镜)、步进电机、齿轮组(包括一个大齿轮和一个小齿轮，比例关系为5∶1)、高分辨率CCD数字成像板、灵敏光强探测器、两个垂直插槽(第一垂直插槽和第二垂直插槽)、减震隔离板、中央处理器和显示屏。附图1为俯视图，附图2为正视图(倒放，地板在上)。

选用单色性好的激光器作为光源(选择对数字成像板和光强探测器反应灵敏的波长)，出射口套上中央带孔的高分辨率CCD数字成像板。成像板严格垂直于光路，激光器取向和成像板严格固定在仪器坚固且隔热的外壳上，以保持方向不变，隔热的目的是防止热胀冷缩造成取向发生微小改变。

当薄透明片放在图示3处的第一垂直插槽时，成像板上会呈现等倾干涉条纹，CCD检测并记录各个暗环上最暗的位置传输到处理器上，处理器计算出各级暗环的半径，将条纹半径的平方值和条纹级次的对应关系进行线性数据拟合，得到图像斜率的值及其不确定度，将数据储存到位置a待用。

第一垂直插槽应严格垂直光路，并固定在仪器上，前端到成像板的距离测量为定值并作为常数c储存在处理器中。两个垂直插槽同等材料构造，槽壁内侧装有海绵状的缓冲物以防止划伤待测透明片的表面，并且配合以合适力度的弹簧夹(前端固定后端移动)用以稳定固定待测透明片，垂直插槽的深度要较深，以便减少由于材料的弯曲带来的测量误差。

CCD和夹持弹簧由处理器中的控制电路操控，并在显示器所在的操作板上安装开关(记作开关一)和确认键，按下确认键时弹簧夹持待测物，并设计电路判断夹持是否稳定，将信息返回“true/force”到处理器以开启下一步程序。当返回值为“true”则提示按下开关一，启动CCD；当返回值为“force”则提示重新安装待测物。

启动CCD后，会将成像信息发送到处理器进行运算，信息发送完毕后CCD自动回到待机状态，并提示进行下一步操作。在测量完成前，电路会防止误触开关一启动CCD，并要求一定是按下确认键后才可启动开关一。

半反半透镜和两块平面镜严格固定在仪器上，取向要保证在灵敏光强探测器的中央出现稳定的等倾干涉条纹，并且调整两臂光程差几乎为零。两平面镜的镜面大小和光强反射率要基本相同。

光强探测器中央安放灵敏的光敏电阻，记录光强随时间的变化，记录光强的变化和步进电机旋转同时开始，由于空间狭窄光速很快，因此时间差可以忽略。步进电机旋转的角度(脉冲数)随时间的关系记录下来，传到处理器可以得到光强随时间变化和旋转角度的关系，将各个光强极小值所对应的角度的平方值与对应的第几个极小值的自然数进行线性数据拟合，得到图像斜率的值及其不确定度，将数据储存到位置b待用。

理论计算得到的结果为透明片的厚度为折射率为其中t₂为数据b的值，t₁为数据a的值，H为数据c的值，λ为所用激光器的波长。

齿轮的轴心严格固定在减震隔离板上，大小齿轮5∶1应咬合完美，按此大小比例可以将步进电机的角度“放慢”以便精确测量出玻璃片转过的角度。6处的垂直插槽严格固定在大齿轮上，并且转轴严格垂直光路与齿轮。小齿轮受步进电机驱动，转动缓慢、稳定、无振动。