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。
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