[發明專利]薄透明介質性質非接觸測量儀

在審

• 申請號: 201710111251.0
• 申請日: 2017-02-28
• 公開（公告）號: CN106645031A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 賈桂昊
• 申請（專利權）人: 賈桂昊
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45;G01B11/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

【技術領域】

本發明為光學元件非接觸測量裝置，內容涉及：光學(激光、邁克爾遜干涉儀)、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)、軟件程序

【背景技術】

在當今高端制造業和精密實驗中，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，由于要防止劃傷表面，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：激光測距、運動頻移……對于厚度較高的透明介質具有良好的精度，而對于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、干涉移動……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。

邁克爾遜干涉儀從發明問世到現在已經有百余年的歷史，激光、數字成像、傳感器、機械和軟件程序也早已發展成熟并向尖端技術發展，而利用這樣的成熟領域的組合完全可以實現我們的目的。

【發明內容】

本發明是一種以邁克爾遜干涉儀為主體的測量儀，包括激光器、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，比例關系為5∶1)、高分辨率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)。

選用單色性好的激光器作為光源(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分辨率CCD數字成像板。成像板嚴格垂直于光路，激光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干涉條紋，CCD檢測并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系進行線性數據擬合，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，并固定在儀器上，前端到成像板的距離測量為定值并作為常數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沖物以防止劃傷待測透明片的表面，并且配合以合適力度的彈簧夾(前端固定后端移動)用以穩定固定待測透明片，垂直插槽的深度要較深，以便減少由于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，并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，并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后，會將成像信息發送到處理器進行運算，信息發送完畢后CCD自動回到待機狀態，并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，并要求一定是按下確認鍵后才可啟動開關一。

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干涉條紋，并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，由于空間狹窄光速很快，因此時間差可以忽略。步進電機旋轉的角度(脈沖數)隨時間的關系記錄下來，傳到處理器可以得到光強隨時間變化和旋轉角度的關系，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為所用激光器的波長。

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，并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。