基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量方法及測量裝置與流程

本發明屬于光學測量技術領域，具體涉及一種基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量方法以及測量裝置。

背景技術：

對于樣品厚度的測量，可以采用接觸式測量(例如采用游標卡尺、螺旋測微器等儀器進行測量)、也可以采用非接觸式測量(例如基于邁克爾遜干涉原理的測量方法)；然而在某些特殊情況下，高精度的非接觸式測量裝置具有不可替代性，例如，在玻璃儀器的制造過程中，往往需要對處于熔融狀態的玻璃進行厚度、折射率等屬性的測量；此時，接觸式測量方法不僅可能會影響材料的形狀與結構，而且精度十分有限。

因此，不少工業生產需要提供高精度非接觸式測量方法和儀器。傳統的邁克爾遜干涉測量方法，僅能測量厚度為幾百微米的薄膜類樣品，難以應用于工業化生產。目前，工業上已有利用二維激光掃描非接觸式測量物件尺寸的技術來實現對較厚樣品厚度的測量(參見尚妍，徐春廣光學非接觸廓形測量技術研究進展光學技術2008.12第34卷增刊216-217)，該方法是利用樣品對激光的遮擋，在接收屏上產生并記錄光強差，從而確定待測物件的輪廓，從而獲得樣品的厚度。該方法影響測量精度的關鍵在于激光成像的穩定性與準確性；為此，光學系統設計時必須做到像面照度分布均勻、雜散光少、成像幾何畸變小等，不僅設計復雜繁瑣，其儀器制造成本也非常高。

技術實現要素：

針對上述現有技術中的不足，本發明目的旨在提供一種測量方便、誤差小的基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式測量方法，可以實現對樣品厚度的非接觸測量。

本發明的另一目的旨在提供一種實現上述基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量方法的裝置。

針對上述第一個發明目的，本發明所提供的基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量方法，利用主要由M1反射鏡、M2反射鏡、激光源、接收器件、分光板和補償板構成的光路組件對樣品厚度進行測量，所述激光源、分光板、補償板和M2反光鏡沿同一方向依次排列，所述分光板與補償板相互平行且均與M1反射鏡鏡面成45°夾角；用于放置樣品的載物臺位于M1反射鏡和分光板之間；樣品厚度按包括以下步驟的方法進行測量：

S1，將待測樣品放置到載物臺上；

S2，打開激光源，調整載物臺或者光路組件至接收器件接收到干涉條紋，記錄樣品平面與M1反射鏡鏡面相對旋轉角度α₁；

S3，繼續調整載物臺或者光路組件至接收器件接收到的干涉條紋移動L條，記錄樣品平面與M1反射鏡鏡面相對旋轉夾角α₂；

S4，將步驟S2和步驟S3所記錄的樣品平面與M1反射鏡之間的夾角α₁、α₂以及干涉條紋移動數L帶入以下公式計算得到待測樣品的厚度：

其中，x為待測樣品的厚度，λ為激光源的波長。

上述基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量方法，為了使測量的樣品厚度更加的準確，最好重復步驟S1至S4若干次，得到待測樣品厚度的多組數值，對所得待測樣品厚度的多組數值計算平均值，以平均值為待測樣品的厚度。

針對上述第二個發明目的，本發明所提供的用于實現上述基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量方法的裝置，其構成包括可旋轉載物臺以及主要由M1反射鏡、M2反射鏡、激光源、接收器件、分光板和補償板構成的光路組件，所述激光源、分光板、補償板和M2反光鏡沿同一方向依次排列，所述分光板與補償板相互平行且均與M1反射鏡鏡面成45°夾角；所述可旋轉載物臺位于M1反射鏡和分光板之間；分光板將激光源發射的激光分為兩束，其中一束激光經位于可旋轉載物臺上的樣品入射到M1反射鏡，另一束激光經補償板入射到M2反光鏡；由M1反光鏡反射回的反射光經可旋轉載物臺上的樣品、分光板由接收器件接收，由M2反光鏡反射回的反射光經補償板再由分光板反射至接收器件；調整可旋轉載物臺的旋轉角度，使兩束反射光在接收器件上形成干涉條紋。該裝置是通過調整載物臺來實現樣品平面與M1反光鏡鏡面的相對旋轉，進而實現對樣品厚度的測量。

上述基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量裝置，所述接收器件為接收屏或者CCD(Charge-coupled Device)元件；所述CCD元件為平面點陣電荷耦合元件或者線性電荷耦合元件；所述平面點陣電荷耦合元件如CCD攝像機、數碼相機、手機攝像頭等等；所述線性電荷耦合元件如掃描儀中的CCD元件等等。

針對上述第二個發明目的的用于實現基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量方法的裝置，也可設計成通過調整光路組件來實現樣品平面與M1反光鏡鏡面的相對旋轉，即裝置的構成包括放置待測樣品的固定載物臺以及封裝在一殼體內的光路組件；所述光路組件主要由安裝在殼體內基座上的M1反射鏡、M2反射鏡、激光源、接收器件、分光板、補償板和微機電陀螺儀構成；所述激光源、分光板、補償板和M2反光鏡沿同一方向依次排列，所述分光板與補償板相互平行且均與M1反射鏡鏡面成45°夾角；所述基座與微機電陀螺儀安裝在中心軸上，實現基座旋轉與角度測量聯動；分光板將激光源發射的激光分為兩束，其中一束激光經樣品入射到M1反射鏡，另一束激光經補償板入射到M2反光鏡；由M1反光鏡反射回的反射光經樣品、分光板由接收器件接收，由M2反光鏡反射回的反射光經補償板再由分光板反射至接收器件；調整殼體內的基座的旋轉角度，使接收器件接收到干涉條紋；所述殼體上設計有大于樣品厚度的開口，固定載物臺能使放置在其上的樣品沿開口進入殼體內位于M1反射鏡和分光板之間。

上述基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量裝置，所述接收器件為CCD元件；所述CCD元件與前述相同，其為平面點陣電荷耦合元件或者線性電荷耦合元件；所述平面點陣電荷耦合元件如CCD攝像機、數碼相機、手機攝像頭等等；所述線性電荷耦合元件如掃描儀中的CCD元件等等。

上述基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量裝置，所述基座通過中心軸安裝在殼體內，為了便于操作，可以將殼體、基座、中心軸固連，通過旋轉殼體實現對基座和中心軸的旋轉；當然殼體與基座、中心軸也可以不固連，而是在中心軸位于殼體外的一端安裝旋轉手柄，通過旋轉手柄實現對基座的旋轉；此外，中心軸的轉動也可以通過步進電機來實現。

上述基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量裝置，所述微機電陀螺儀和接收器件分別與單片機電連接，由單片機完成對基座旋轉角度和圖像數據的記錄及處理。

上述基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量裝置，所述單片機可以位于殼體內，安裝在殼體內基座上，也可以位于殼體外；單片機與位于殼體外的顯示器件電連接，單片機和顯示器件可以集成于同一控制器，例如電腦、手機等。所述顯示器件如LCD顯示器、LED顯示器等。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1、本發明基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量方法，通過調整M1反射鏡與樣品平面之間的角度，使激光束光程發生變化，從而使干涉條紋產生移動，再依據本發明提供的公式計算得到待測樣品的厚度；由于該測量方法需要控制的物理量僅為M1反射鏡與樣品平面之間的角度，測量誤差極小，在簡化了測量過程的同時，提高了樣品厚度測量精度。

2、本發明基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量方法，其測量精度有望達到1μm，能夠滿足大多數的生產測量要求。

3、本發明基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量方法，M1反射鏡與樣品平面之間調整的角度范圍可以從接近激光源的地方至M1反射鏡之間，具有較大的角度調節范圍，從而可以測量較厚的樣品，樣品厚度可以達到厘米量級。

4、本發明基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量裝置，只需要清楚M1反射鏡相對樣品平面旋轉周期內干涉條紋移動的數目，對激光源成像要求不高，避免了必須達到像面照度分布均勻、雜散光少、成像幾何畸變銷的要求，從而降低了對設備(例如CCD元件)精度的要求，大大降低了測量成本。

5、本發明基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量裝置，由于測量原理簡單且不需要高精度的昂貴儀器，因此可以將由M1反射鏡、M2反射鏡、激光源、接收器件、分光板和補償板構成的光路組件集成在一體化的裝置內，節省了空間，減小了測量裝置體積，甚至可以設計成小型化的便攜裝置。

附圖說明

圖1為本發明提供的第一種基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量裝置的原理示意圖。

圖2為穿過樣品的激光干涉光路示意圖。

圖3為本發明提供的第二種基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量裝置的原理示意圖。

圖4為本發明提供的第三種基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量裝置的原理示意圖。

上述附圖中各圖示標號標識的對象分別為：1-M1反射鏡，2-M2反射鏡，3-可旋轉載物臺，3’-固定載物臺，4-樣品，5-激光源，6-接收器件，7-分光板，8-補償板，9-中心軸，10-微機電陀螺儀，11-單片機，12-顯示器件，13-殼體。

具體實施方式

以下將結合附圖對本發明各實施例的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明公開的內容，本領域普通技術人員在不付出創造性勞動的前提下還可以其他實施例的方式實施本發明，這些實施例的實施方式都屬于本發明所保護的范圍。

實施例1

本實施例提供了一種基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量裝置，其結構如圖1所示，該測量裝置包括可旋轉載物臺3以及主要由M1反射鏡1、M2反射鏡2、激光源5、接收器件6、分光板7和補償板8構成的光路組件，激光源5、分光板7、補償板8和M2反光鏡2沿同一方向依次排列，分光板7與補償板8相互平行且均與M1反射鏡鏡面成45°夾角；可旋轉載物臺3位于M1反射鏡1和分光板7之間；接收器件6為接收屏。

上述基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量裝置使用時，分光板7將激光源5發射的激光分為兩束，其中一束激光經位于可旋轉載物臺3上的樣品4入射到M1反射鏡1，另一束激光經補償板8入射到M2反光鏡2；由M1反光鏡1反射回的反射光經可旋轉載物臺3上的樣品4、分光板7由接收屏接收，由M2反光鏡2反射回的反射光經補償板8再由分光板7反射至接收屏；調整可旋轉載物臺3的旋轉角度，使兩束反射光在接收屏上形成干涉條紋。

穿過樣品4的激光干涉光路如圖2所示，其中，α為入射角，β為折射角，γ為放入樣品4之后折射光線相對于入射光線的偏轉角，x為待測樣品4的厚度，h為放入樣品4之前光線直線傳播的光程，Δ為放入樣品4前后光線傳播的光程差，由圖中幾何關系可知α即為樣品平面與M1反射鏡鏡面之間的夾角：

α＝β+γ

由(1)中的三個方程聯立可以得到

由于樣品4的折射率為

由(2)和(3)聯立可以得到

當調整可旋轉載物臺3，使接收屏上兩次出現干涉條紋，每次出現干涉條紋時，樣品4平面與M1反射鏡鏡面之間的夾角分別為α₁和α₂，則兩次出現干涉條紋時，光程差Δ₁和Δ₂分別為：

由于光程差變化的過程可以體現為接收屏上干涉條紋數的變化，同時依據邁克爾遜干涉儀原理，得到干涉亮條紋的條件為經分光束分出的兩束激光到達接收屏的光程差變化為激光波長的整數倍，因此

2|Δ₁-Δ₂|＝Lλ (6)

由方程組(5)和公式(6)聯立可以得到

從上述分析可以看出，只要記錄兩次出現干涉條紋時樣品4平面與M1反射鏡鏡面之間的夾角分別為α₁和α₂，然后代入上述公式便可以得到樣品4的厚度，上述L為干涉條紋移動數；n為樣品4的折射率，可以通過本領域已經披露的方法獲得(例如紀小輝,陳彤基于光電技術的玻璃折射率測量應用光學2010 31(5):777-780)。

利用上述基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量裝置分別對標準厚度為3.85mm、4.81mm、7.85mm、9.86mm和11.90mm的玻璃(標準厚度通過電子游標卡尺測得)進行測量，本實施例中待測玻璃的折射率為n＝1.623，激光源的波長為654.3mm，測量過程為：

S1，將待測玻璃放置到可旋轉載物臺3上；

S2，打開激光源5，調整可旋轉載物臺3至接收屏接收到干涉條紋，記錄待測玻璃平面與M1反射鏡1鏡面相對旋轉角度α₁；

S3，繼續調整可旋轉載物臺3至接收屏接收到的干涉條紋移動L條，記錄待測玻璃平面與M1反射鏡1鏡面相對旋轉夾角α₂；

S4，將步驟S2和步驟S3所記錄的待測玻璃平面與M1反射鏡1之間相對旋轉角度α₁、α₂以及干涉條紋移動數L帶入以下公式計算得到待測玻璃的厚度：

其中，x為待測樣品的厚度，λ為激光源的波長；

S5，重復步驟S1至S4，得到待測玻璃厚度的3組數值，對所得待測玻璃厚度的3組數值計算平均值，以平均值為待測玻璃的平均厚度。

通過上述過程對標準厚度為3.85mm、4.81mm、7.85mm、9.86mm和11.90mm的玻璃進行測量，所得的α₁、α₂、厚度計算值x、與標準厚度的相對誤差(通過數學軟件根據誤差傳遞公式計算得到)以及三組測量值的平均值見表1所示。

表1利用測量裝置對標準厚度玻璃進行測量的實測數據

從上述測量數據可以看出，本實施例提供的測量裝置以及測量方法實現了對玻璃(也可以換成其他透明物體)厚度的非接觸式測量，測量值與標準值的最大相對偏差小于2.5％，且隨著待測樣品厚度增大而降低。測量的絕對精度則達到了0.1mm量級，可滿足日常生產生活需要。

實施例2

本實施例提供了一種基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量裝置，其結構如圖3所示，該測量裝置包括放置待測樣品4的固定載物臺3’以及封裝在一殼體13內的光路組件；光路組件主要由安裝在殼體13內基座上的M1反射鏡1、M2反射鏡2、激光源5、接收器件6、分光板7、補償板8、微機電陀螺儀10和單片機11構成；激光源5、分光板7、補償板8和M2反光鏡2沿同一方向依次排列，分光板7與補償板8相互平行且均與M1反射鏡鏡面成45°夾角；基座通過中心軸9安裝在殼體13內，且微機電陀螺儀10安裝在中心軸9上，以實現基座旋轉與角度測量的聯動；中心軸9位于殼體13外的一端安裝有旋轉手柄；微機電陀螺儀10和接收器件6分別與單片機11電連接；單片機11與位于殼體13外的LED顯示器電連接；殼體13上設計有大于樣品厚度的開口，固定載物臺3’能使放置在其上的樣品沿開口進入殼體13內位于M1反射鏡1和分光板7之間；這里的接收器件6為CCD攝像機。

上述基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量裝置使用時，分光板7將激光源5發射的激光分為兩束，其中一束激光經樣品4入射到M1反射鏡1，另一束激光經補償板8入射到M2反光鏡2；由M1反光鏡1反射回的反射光經樣品4、分光板7由CCD攝像機接收，由M2反光鏡2反射回的反射光經補償板8再由分光板7反射至CCD攝像機；調整殼體13內的基座的旋轉角度，使CCD攝像機接收到干涉條紋。

利用上述基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量裝置對樣品4進行測量之前，首先對微機電陀螺儀10進行初始化，使微機電陀螺儀10的初始化角度為0°時，M1反射鏡1鏡面與固體載物臺3’上端面平行，從而保證微機電陀螺儀10的旋轉角度即是待測樣品平面與M1反射鏡1鏡面之間的夾角；微機電陀螺儀10初始化后的測量過程為：

S1，將待測樣品4放置到固定載物臺3’上，樣品沿殼體13上的開口進入殼體13，并使進入殼體13的樣品4位于M1反射鏡1和分光板7之間；

S2，打開激光源5，旋轉手柄，調整基座上的光學組件至CCD攝像機接收到干涉條紋(也即在LED顯示器上出現干涉條紋)，記錄微機電陀螺儀10的旋轉角度α₁(即待測樣品4平面與M1反射鏡1鏡面相對旋轉角度)；

S3，繼續旋轉手柄，調整基座上的光學組件至CCD攝像機接收到的干涉條紋移動L條，記錄微機電陀螺儀的旋轉角度α₂(即待測樣品4平面與M1反射鏡1鏡面相對旋轉夾角)；

S4，將步驟S2和步驟S3所記錄的微機電陀螺儀10的旋轉角度α₁、α₂以及干涉條紋移動數L帶入以下公式計算得到待測樣品4的厚度：

其中，x為待測樣品的厚度，λ為激光源的波長；

此步驟可以通過單片機11依據CCD攝像機傳輸的干涉條紋信息以及微電機陀螺儀10傳輸的旋轉角度和上述公式(7)自動計算完成；

S5，重復步驟S1至S4若干次，得到待測樣品厚度的多組數值，對所得待測樣品4厚度的多組數值計算平均值，以平均值為待測樣品的平均厚度。

由于本實施例采用CCD攝像機作為干涉條紋接收器件，可以用于分辨干涉非整數條紋變化，從而進一步減小測量誤差，其精度有望達到1μm，從而滿足更高精度要求的生產需求。

實施例3

本實施例提供了一種基于邁克爾遜干涉原理的非接觸式樣品厚度測量裝置，其結構如圖4所示，該測量裝置與實施例2提供的裝置基本相同，主要區別在于，本實施例中的單片機11設置在殼體13的外部。