基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置的制作方法

本实用新型属于光学测量技术领域，具体涉及一种基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置。

背景技术：

对于样品厚度的测量，可以采用接触式测量(例如采用游标卡尺、螺旋测微器等仪器进行测量)、也可以采用非接触式测量(例如基于迈克尔逊干涉原理的测量方法)；然而在某些特殊情况下，高精度的非接触式测量装置具有不可替代性，例如，在玻璃仪器的制造过程中，往往需要对处于熔融状态的玻璃进行厚度、折射率等属性的测量；此时，接触式测量方法不仅可能会影响材料的形状与结构，而且精度十分有限。

因此，不少工业生产需要提供高精度非接触式测量方法和仪器。传统的迈克尔逊干涉测量方法，仅能测量厚度为几百微米的薄膜类样品，难以应用于工业化生产。目前，工业上已有利用二维激光扫描非接触式测量物件尺寸的技术来实现对较厚样品厚度的测量(参见尚妍，徐春广光学非接触廓形测量技术研究进展光学技术2008.12第34卷增刊216-217)，该方法是利用样品对激光的遮挡，在接收屏上产生并记录光强差，从而确定待测物件的轮廓，从而获得样品的厚度。该方法影响测量精度的关键在于激光成像的稳定性与准确性；为此，光学系统设计时必须做到像面照度分布均匀、杂散光少、成像几何畸变小等，不仅设计复杂繁琐，其仪器制造成本也非常高。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的不足，本实用新型目的旨在提供一种测量方便、误差小的基于迈克尔逊干涉原理的非接触式测量装置，可以实现对样品厚度的非接触测量。

针对上述目的，本实用新型所提供的基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置，其构成包括可旋转载物台以及主要由M1反射镜、M2反射镜、激光源、接收器件、分光板和补偿板构成的光路组件，所述激光源、分光板、补偿板和M2反光镜沿同一方向依次排列，所述分光板与补偿板相互平行且均与M1反射镜镜面成45°夹角；所述可旋转载物台位于M1反射镜和分光板之间；分光板将激光源发射的激光分为两束，其中一束激光经位于可旋转载物台上的样品入射到M1反射镜，另一束激光经补偿板入射到M2反光镜；由M1反光镜反射回的反射光经可旋转载物台上的样品、分光板由接收器件接收，由M2反光镜反射回的反射光经补偿板再由分光板反射至接收器件；调整可旋转载物台的旋转角度，使两束反射光在接收器件上形成干涉条纹。该装置是通过调整载物台来实现样品平面与M1反光镜镜面的相对旋转，进而实现对样品厚度的测量。

上述基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置，所述接收器件为接收屏或者CCD(Charge-coupled Device)元件；所述CCD元件为平面点阵电荷耦合元件或者线性电荷耦合元件；所述平面点阵电荷耦合元件如CCD摄像机、数码相机、手机摄像头等等；所述线性电荷耦合元件如扫描仪中的CCD元件等等。

针对上述目的，基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置也可设计成通过调整光路组件来实现样品平面与M1反光镜镜面的相对旋转，即装置的构成包括放置待测样品的固定载物台以及封装在一壳体内的光路组件；所述光路组件主要由安装在壳体内基座上的M1反射镜、M2反射镜、激光源、接收器件、分光板、补偿板和微机电陀螺仪构成；所述激光源、分光板、补偿板和M2反光镜沿同一方向依次排列，所述分光板与补偿板相互平行且均与M1反射镜镜面成45°夹角；所述基座与微机电陀螺仪安装在中心轴上，实现基座旋转与角度测量联动；分光板将激光源发射的激光分为两束，其中一束激光经样品入射到M1反射镜，另一束激光经补偿板入射到M2反光镜；由M1反光镜反射回的反射光经样品、分光板由接收器件接收，由M2反光镜反射回的反射光经补偿板再由分光板反射至接收器件；调整壳体内的基座的旋转角度，使接收器件接收到干涉条纹；所述壳体上设计有大于样品厚度的开口，固定载物台能使放置在其上的样品沿开口进入壳体内位于M1反射镜和分光板之间。

上述基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置，所述接收器件为CCD元件；所述CCD元件与前述相同，其为平面点阵电荷耦合元件或者线性电荷耦合元件；所述平面点阵电荷耦合元件如CCD摄像机、数码相机、手机摄像头等等；所述线性电荷耦合元件如扫描仪中的CCD元件等等。

上述基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置，所述基座通过中心轴安装在壳体内，为了便于操作，可以将壳体、基座、中心轴固连，通过旋转壳体实现对基座和中心轴的旋转；当然壳体与基座、中心轴也可以不固连，而是在中心轴位于壳体外的一端安装旋转手柄，通过旋转手柄实现对基座的旋转；此外，中心轴的转动也可以通过步进电机来实现。

上述基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置，所述微机电陀螺仪和接收器件分别与单片机电连接，由单片机完成对基座旋转角度和图像数据的记录及处理。

上述基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置，所述单片机可以位于壳体内，安装在壳体内基座上，也可以位于壳体外；单片机与位于壳体外的显示器件电连接，单片机和显示器件可以集成于同一控制器，例如电脑、手机等。所述显示器件如LCD显示器、LED显示器等。

利用上述提供的任一一种基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置对样品厚度进行测量的方法包括以下步骤：

S1，将待测样品放置到载物台上；

S2，打开激光源，调整载物台或者光路组件至接收器件接收到干涉条纹，记录样品平面与M1反射镜镜面相对旋转角度α₁；

S3，继续调整载物台或者光路组件至接收器件接收到的干涉条纹移动L条，记录样品平面与M1反射镜镜面相对旋转夹角α₂；

S4，将步骤S2和步骤S3所记录的样品平面与M1反射镜之间的夹角α₁、α₂以及干涉条纹移动数L带入以下公式计算得到待测样品的厚度：

其中，x为待测样品的厚度，λ为激光源的波长。

为了使测量的样品厚度更加的准确，最好重复步骤S1至S4若干次，得到待测样品厚度的多组数值，对所得待测样品厚度的多组数值计算平均值，以平均值为待测样品的厚度。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置，将载物台或者光学组件设计为可旋转式，通过调整M1反射镜与样品平面之间的角度，使激光束光程发生变化，从而使干涉条纹产生移动，再依据相关公式计算得到待测样品的厚度；由于该测量装置仅需要控制M1反射镜与样品平面之间的角度，就可实现对样品厚度的测量，减少了需要调整的元件，从而使测量误差极小，这样不仅简化了测量过程，而且提高了样品厚度测量精度。

2、本实用新型基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置，其测量精度有望达到1μm，能够满足大多数的生产测量要求。

3、本实用新型基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置，M1反射镜与样品平面之间调整的角度范围可以从接近激光源的地方至M1反射镜之间，具有较大的角度调节范围，从而可以测量较厚的样品，样品厚度可以达到厘米量级。

4、本实用新型基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置，只需要清楚M1反射镜相对样品平面旋转周期内干涉条纹移动的数目，对激光源成像要求不高，避免了必须达到像面照度分布均匀、杂散光少、成像几何畸变销的要求，从而降低了对设备(例如CCD元件)精度的要求，大大降低了测量成本。

5、本实用新型基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置，由于测量原理简单且不需要高精度的昂贵仪器，因此可以将由M1反射镜、M2反射镜、激光源、接收器件、分光板和补偿板构成的光路组件集成在一体化的装置内，节省了空间，减小了测量装置体积，甚至可以设计成小型化的便携装置。

附图说明

图1为本实用新型提供的第一种基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置的原理示意图。

图2为穿过样品的激光干涉光路示意图。

图3为本实用新型提供的第二种基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置的原理示意图。

图4为本实用新型提供的第三种基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置的原理示意图。

上述附图中各图示标号标识的对象分别为：1-M1反射镜，2-M2反射镜，3-可旋转载物台，3’-固定载物台，4-样品，5-激光源，6-接收器件，7-分光板，8-补偿板，9-中心轴，10-微机电陀螺仪，11-单片机，12-显示器件，13-壳体。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型公开的内容，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下还可以其他实施例的方式实施本实用新型，这些实施例的实施方式都属于本实用新型所保护的范围。

实施例1

本实施例提供了一种基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置，其结构如图1所示，该测量装置包括可旋转载物台3以及主要由M1反射镜1、M2反射镜2、激光源5、接收器件6、分光板7和补偿板8构成的光路组件，激光源5、分光板7、补偿板8和M2反光镜2沿同一方向依次排列，分光板7与补偿板8相互平行且均与M1反射镜镜面成45°夹角；可旋转载物台3位于M1反射镜1和分光板7之间；接收器件6为接收屏。

上述基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置使用时，分光板7将激光源5发射的激光分为两束，其中一束激光经位于可旋转载物台3上的样品4入射到M1反射镜1，另一束激光经补偿板8入射到M2反光镜2；由M1反光镜1反射回的反射光经可旋转载物台3上的样品4、分光板7由接收屏接收，由M2反光镜2反射回的反射光经补偿板8再由分光板7反射至接收屏；调整可旋转载物台3的旋转角度，使两束反射光在接收屏上形成干涉条纹。

穿过样品4的激光干涉光路如图2所示，其中，α为入射角，β为折射角，γ为放入样品4之后折射光线相对于入射光线的偏转角，x为待测样品4的厚度，h为放入样品4之前光线直线传播的光程，Δ为放入样品4前后光线传播的光程差，由图中几何关系可知α即为样品平面与M1反射镜镜面之间的夹角：

α＝β+γ

由(1)中的三个方程联立可以得到

由于样品4的折射率为

由(2)和(3)联立可以得到

当调整可旋转载物台3，使接收屏上两次出现干涉条纹，每次出现干涉条纹时，样品4平面与M1反射镜镜面之间的夹角分别为α₁和α₂，则两次出现干涉条纹时，光程差Δ₁和Δ₂分别为：

由于光程差变化的过程可以体现为接收屏上干涉条纹数的变化，同时依据迈克尔逊干涉仪原理，得到干涉亮条纹的条件为经分光束分出的两束激光到达接收屏的光程差变化为激光波长的整数倍，因此

2|Δ₁-Δ₂|＝Lλ (6)

由方程组(5)和公式(6)联立可以得到

从上述分析可以看出，只要记录两次出现干涉条纹时样品4平面与M1反射镜镜面之间的夹角分别为α₁和α₂，然后代入上述公式便可以得到样品4的厚度，上述L为干涉条纹移动数；n为样品4的折射率，可以通过本领域已经披露的方法获得(例如纪小辉,陈彤基于光电技术的玻璃折射率测量应用光学2010 31(5):777-780)。

利用上述基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置分别对标准厚度为3.85mm、4.81mm、7.85mm、9.86mm和11.90mm的玻璃(标准厚度通过电子游标卡尺测得)进行测量，本实施例中待测玻璃的折射率为n＝1.623，激光源的波长为654.3mm，测量过程为：

S1，将待测玻璃放置到可旋转载物台3上；

S2，打开激光源5，调整可旋转载物台3至接收屏接收到干涉条纹，记录待测玻璃平面与M1反射镜1镜面相对旋转角度α₁；

S3，继续调整可旋转载物台3至接收屏接收到的干涉条纹移动L条，记录待测玻璃平面与M1反射镜1镜面相对旋转夹角α₂；

S4，将步骤S2和步骤S3所记录的待测玻璃平面与M1反射镜1之间相对旋转角度α₁、α₂以及干涉条纹移动数L带入以下公式计算得到待测玻璃的厚度：

其中，x为待测样品的厚度，λ为激光源的波长；

S5，重复步骤S1至S4，得到待测玻璃厚度的3组数值，对所得待测玻璃厚度的3组数值计算平均值，以平均值为待测玻璃的平均厚度。

通过上述过程对标准厚度为3.85mm、4.81mm、7.85mm、9.86mm和11.90mm的玻璃进行测量，所得的α₁、α₂、厚度计算值x、与标准厚度的相对误差(通过数学软件根据误差传递公式计算得到)以及三组测量值的平均值见表1所示。

表1利用测量装置对标准厚度玻璃进行测量的实测数据

从上述测量数据可以看出，本实施例提供的测量装置实现了对玻璃(也可以换成其他透明物体)厚度的非接触式测量，测量值与标准值的最大相对偏差小于2.5％，且随着待测样品厚度增大而降低。测量的绝对精度则达到了0.1mm量级，可满足日常生产生活需要。

实施例2

本实施例提供了一种基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置，其结构如图3所示，该测量装置包括放置待测样品4的固定载物台3’以及封装在一壳体13内的光路组件；光路组件主要由安装在壳体13内基座上的M1反射镜1、M2反射镜2、激光源5、接收器件6、分光板7、补偿板8、微机电陀螺仪10和单片机11构成；激光源5、分光板7、补偿板8和M2反光镜2沿同一方向依次排列，分光板7与补偿板8相互平行且均与M1反射镜镜面成45°夹角；基座通过中心轴9安装在壳体13内，且微机电陀螺仪10安装在中心轴9上，以实现基座旋转与角度测量的联动；中心轴9位于壳体13外的一端安装有旋转手柄；微机电陀螺仪10和接收器件6分别与单片机11电连接；单片机11与位于壳体13外的LED显示器电连接；壳体13上设计有大于样品厚度的开口，固定载物台3’能使放置在其上的样品沿开口进入壳体13内位于M1反射镜1和分光板7之间；这里的接收器件6为CCD摄像机。

上述基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置使用时，分光板7将激光源5发射的激光分为两束，其中一束激光经样品4入射到M1反射镜1，另一束激光经补偿板8入射到M2反光镜2；由M1反光镜1反射回的反射光经样品4、分光板7由CCD摄像机接收，由M2反光镜2反射回的反射光经补偿板8再由分光板7反射至CCD摄像机；调整壳体13内的基座的旋转角度，使CCD摄像机接收到干涉条纹。

利用上述基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置对样品4进行测量之前，首先对微机电陀螺仪10进行初始化，使微机电陀螺仪10的初始化角度为0°时，M1反射镜1镜面与固体载物台3’上端面平行，从而保证微机电陀螺仪10的旋转角度即是待测样品平面与M1反射镜1镜面之间的夹角；微机电陀螺仪10初始化后的测量过程为：

S1，将待测样品4放置到固定载物台3’上，样品沿壳体13上的开口进入壳体13，并使进入壳体13的样品4位于M1反射镜1和分光板7之间；

S2，打开激光源5，旋转手柄，调整基座上的光学组件至CCD摄像机接收到干涉条纹(也即在LED显示器上出现干涉条纹)，记录微机电陀螺仪10的旋转角度α₁(即待测样品4平面与M1反射镜1镜面相对旋转角度)；

S3，继续旋转手柄，调整基座上的光学组件至CCD摄像机接收到的干涉条纹移动L条，记录微机电陀螺仪的旋转角度α₂(即待测样品4平面与M1反射镜1镜面相对旋转夹角)；

S4，将步骤S2和步骤S3所记录的微机电陀螺仪10的旋转角度α₁、α₂以及干涉条纹移动数L带入以下公式计算得到待测样品4的厚度：

其中，x为待测样品的厚度，λ为激光源的波长；

此步骤可以通过单片机11依据CCD摄像机传输的干涉条纹信息以及微电机陀螺仪10传输的旋转角度和上述公式(7)自动计算完成；

S5，重复步骤S1至S4若干次，得到待测样品厚度的多组数值，对所得待测样品4厚度的多组数值计算平均值，以平均值为待测样品的平均厚度。

由于本实施例采用CCD摄像机作为干涉条纹接收器件，可以用于分辨干涉非整数条纹变化，从而进一步减小测量误差，其精度有望达到1μm，从而满足更高精度要求的生产需求。

实施例3

本实施例提供了一种基于迈克尔逊干涉原理的非接触式样品厚度测量装置，其结构如图4所示，该测量装置与实施例2提供的装置基本相同，主要区别在于，本实施例中的单片机11设置在壳体13的外部。