基于共焦法的透镜厚度测量系统设计

　　1 引 言

　　透镜测厚技术可分为接触式和非接触式两种，接触式测量方法普遍存在的缺点是: 1) 工件可能被划伤，破坏了表面光洁度; 2) 测头与工件频繁接接触，也会磨损而影响检测精度。这种方法不适用于大批量的快速自动检测系统。非接触式测量常有气动喷嘴式和电容测量微式等方法。利用气动喷嘴测头自动检测精度较高，但响应慢、检测周期长，效率低。用电容测头自动检测，效率高，但现有的平行平板式电容测头不能用在透镜测厚上[1-4]。本文提出一种基于共焦法透镜厚度测量系统，利用光学技术，实现对透镜厚度快速，非接触，高精度的检测[5-8]。

　　2 检测原理

　　本系统是通过分析反射回光源的光的波长，来确定检测件的厚度，系统原理图如图 1 所示。选用光强很高的卤素灯( 最大照度 6 ×105lx) 作为光源。利用光纤及耦合器传输，光纤的末端是一个反射式的探头，以接收通过被测件反射回来的光[9-12]。本系统的核心是共焦光学系统，其作用是将入射的白光按波长会聚在光轴上，同时产生强烈的轴向色差。不同波长的光会聚在光轴的不同位置处，最短波长的焦点与最长波长的焦点之间的距离即为测量范围，其中最短波长与最长波长是由系统选用的光谱仪决定的。当待检器件置于测量范围内时，根据共焦原理，从光源发射的探测光通过透镜聚焦到被测物体上，如果物体恰在某波长会聚的焦点上，那么该波长的光在检测件表面发生反射，反射光通过透镜应当会聚回光纤探头。只有焦点在被检件的上表面和下表面的光才能反射回光纤探头。反射回来的光通过光纤传入光谱仪，进行光谱分析，通过计算这两个光波长的距离，确定被测件的厚度。为保证测量精度，本系统选用最高光学分辨率可达 0.02 nm 的 HR4000 型光栅光谱仪。

　　3 共焦光学系统设计

　　3. 1 设计要求

　　根据测量原理，不难看出，本共焦光学系统的主要作用是将入射的白光按波长会聚在光轴上。依据其他已有的设备，确定本光学系统的指标及技术要求如下:

　　1) 选用常见的反射式光纤，型号为 QR400-7-UV-VIS，其直径为 0. 4 mm，NA = 0. 22，物方孔径角为 24. 8°;

        2) 为保证测量精度，限制像方孔径角 β 不小于 17°;

　　3) 在可见光波段，波长越长，波长变化对测量距离影响越小，因而为保证精度，选用波长在 600 ～900 nm 波段的光谱仪。故用此波段波长的光进行设计;

　　4) 为使其应用更加广泛，要求测量范围不小于15 mm。

　　3. 2 设计结果

　　根据设计要 求，选 定 物 高 0 mm、0. 1414 mm 和0. 2 mm作为视场，600 nm、750 nm、900 nm 作为设计波长，在 ZEMAX 中通过 Multi-Configuration 功能按照这 3个设计波长设定三重结构，进行优化。设计结果如图 2所示。