[发明专利]基于固态变焦透镜的非接触式激光测厚装置及方法

摘要

本发明涉及光学测量领域，涉及一种基于固态变焦透镜的激光测厚装置及方法。所述装置由激光器，光强可调衰减器，第一准直透镜，显微透镜，空间滤波器，第二准直透镜，光阑，分光棱镜，第一像差矫正透镜，第一固态变焦透镜组件，第二固态变焦透镜组件，第二像差矫正透镜，待测物，聚焦透镜，光电探测器，数据传输线，信号控制、数据处理及显示模块，控制信号传输线组成。本发明比传统变焦透镜组更为简单紧凑，比液体透镜更为稳定，性能优越，接近衍射极限。通过全电控闭环调节固态变焦透镜焦距，改变出射光束在待测物上聚焦位置，利用激光自准直效应，记录反射光强极大值位置，实现对待测物厚度测量，测量过程中无需对待测物进行精确移动或装调。

主权项

1.一种基于固态变焦透镜的非接触式激光测厚装置，由激光器，光强可调衰减器，第一准直透镜，显微透镜，空间滤波器，第二准直透镜，光阑，分光棱镜，第一像差矫正透镜，第一固态变焦透镜组件，第二固态变焦透镜组件，第二像差矫正透镜，待测物，聚焦透镜，光电探测器，数据传输线，信号控制、数据处理及显示模块，控制信号传输线组成；所述第一固态变焦透镜组件和第二固态变焦透镜组件均由一个石英玻璃基底，一个符合相位分布要求的纳米结构超表面以及固态变焦透镜驱动器组成；第一固态变焦透镜组件和第二固态变焦透镜组件组成一个固态变焦透镜；所述固态变焦透镜驱动器通过信号控制、数据处理及显示模块经由控制信号传输线输出的控制信号驱动，改变固态变焦透镜的焦距；所述激光器的输出光束经光强可调衰减器衰减后，入射至第一准直透镜，准直后的光束入射至显微透镜，被显微透镜聚焦至空间滤波器，在空间滤波器后方出射，产生一个点光源；所述空间滤波器位于第二准直透镜的前焦平面，空间滤波器后方的出射光被第二准直透镜准直后进入光阑；通过光阑后的平行光束入射至分光棱镜，透过分光棱镜的透射光束经过第一像差矫正透镜进行像差矫正后依次经过第一固态变焦透镜组件和第二固态变焦透镜组件，然后经过第二像差矫正透镜后聚焦到待测物；由于激光光束的自准直效应，当光束聚焦到待测物前表面或后表面时会产生极大值反射，反射光束沿原光路逆向依次通过第二像差矫正透镜、第二固态变焦透镜组件、第一固态变焦透镜组件、第一像差矫正透镜后到达分光棱镜，被分光棱镜反射至聚焦透镜，而后会聚到光电探测器；光电探测器获取的光强信号被数据传输线传输至信号控制、数据处理及显示模块，同时，信号控制、数据处理及显示模块通过控制信号传输线输出控制信号至固态变焦透镜驱动器控制固态变焦透镜的焦距发生改变，进而改变光束在待测物上的聚焦位置，最终反馈至光电探测器形成光强变化，至此，整个系统形成一个闭环；通过记录光束在待测物前后表面形成的两次反射极大值位置，可准确计算出待测物厚度；所述符合相位分布要求的纳米结构超表面采用对称结构设计，由多个纳米微结构阵列组成，每一个纳米微结构为400nm×80nm×500nm的立方块，纳米微结构之间间隔为400nm，分别按照下述相位分布排列在石英玻璃基底上：其中A、D及E为常数，x、y为坐标系下的变量，λ为系统工作的波长，和分别为第一固态变焦透镜组件和第二固态变焦透镜组件产生的相位延迟。