《光電系統(tǒng)中光學(xué)中心間距的測(cè)定 低相干干涉測(cè)量法》征求意見(jiàn)

　　【儀表網(wǎng) 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)】近日，由中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所 、中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院 、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院 、中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所 、長(zhǎng)春奧普光電技術(shù)股份有限公司 、浙江舜宇光學(xué)有限公司 、蘇州慧利儀器有限責(zé)任公司 、舟山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院等單位起草的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃《光電系統(tǒng)中光學(xué)中心間距的測(cè)定 低相干干涉測(cè)量法》征求意見(jiàn)稿發(fā)布，并公開(kāi)征求意見(jiàn)。截止時(shí)間2023年4月17 日。
 

　　從手機(jī)攝像頭到航天相機(jī)，光學(xué)成像質(zhì)量需求越來(lái)越高，對(duì)核心部件光學(xué)鏡頭的精度要求也越來(lái)越高。光電系統(tǒng)中光學(xué)中心間距決定了各個(gè)鏡片的相對(duì)位置，其誤差嚴(yán)重地影響光學(xué)鏡頭的成像質(zhì)量。通過(guò)傳統(tǒng)接觸式的方法測(cè)量光學(xué)中心間距，容易造成高精度鏡片的損傷，且不能直接測(cè)量組裝好的鏡頭。低相干干涉測(cè)量方法，利用寬帶光源的低相干特性，實(shí)現(xiàn)光電系統(tǒng)中光學(xué)中心間距的高精度非接觸測(cè)量。不僅可以測(cè)量單鏡片的中心厚度，還可以測(cè)量組裝后的鏡頭，不需要拆開(kāi)便可實(shí)現(xiàn)多鏡片中心間距的同時(shí)測(cè)量，并且測(cè)量過(guò)程中不需要直接接觸鏡片，具有測(cè)量快速、安全無(wú)損傷，精度高等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于高精度光學(xué)鏡頭的裝調(diào)與檢測(cè)等情形。
 

　　低相干干涉測(cè)量方法，是目前行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的高精度光學(xué)中心間距測(cè)量的主要方法，也是高精度光學(xué)中心間距測(cè)量技術(shù)的主要發(fā)展方向。由于缺乏相應(yīng)的測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)，用戶均依據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的一致性差，可靠性低，同時(shí)影響了測(cè)量的準(zhǔn)確度和重復(fù)性精度。
 

　　目前國(guó)內(nèi)外均有相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備在應(yīng)用，國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域的產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際同等水平，但國(guó)內(nèi)和國(guó)際上均沒(méi)有相應(yīng)的測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)，亟需制定光學(xué)中心間距的低相干干涉測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在光學(xué)中心間距的低相干干涉測(cè)量方法上的空白。
 

　　本文件按照GB/T 1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則 第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。
 

　　本文件描述了采用低相干干涉測(cè)量方法測(cè)量光電系統(tǒng)中光學(xué)中心間距的原理、測(cè)量條件、測(cè)量設(shè)備、測(cè)量步驟、測(cè)量數(shù)據(jù)處理、精密度和測(cè)量報(bào)告。本文件適用于光電系統(tǒng)中光學(xué)中心間距的測(cè)量，例如對(duì)透鏡、鏡頭光學(xué)中心間距的測(cè)量及光學(xué)平板厚度、間距等的測(cè)量。
 

　　原理：
 

　　低相干干涉測(cè)量：
 

　　寬帶光源發(fā)出的光束經(jīng)光電耦合器分成兩束，一束進(jìn)入樣品光路后照射到樣品上發(fā)生后向散射；另一束進(jìn)入?yún)⒖脊饴泛蟊粎⒖脊饴分械姆瓷溏R反射，樣品光路的后向散射光和參考光路反射鏡的反射光經(jīng)光電耦合器會(huì)合，當(dāng)兩者的光程差小于光源的相干長(zhǎng)度時(shí)，兩束光發(fā)生干涉，通過(guò)光電探測(cè)器探測(cè)到干涉信號(hào)。當(dāng)參考光路和樣品光路的光程差為零時(shí)，干涉信號(hào)最強(qiáng)。基于相干干涉的原理，利用寬帶光源的低相干特性，通過(guò)光電探測(cè)器探測(cè)等光程時(shí)的干涉信號(hào)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)面定位的方法。根據(jù)信號(hào)獲取方式的不同，分為時(shí)域相干干涉測(cè)量和頻域相干干涉測(cè)量。
 

　　時(shí)域相干干涉測(cè)量：
 

　　基于低相干干涉原理，通過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置移動(dòng)參考光路反射鏡的位置，實(shí)現(xiàn)待測(cè)樣品不同位置的鏡面(Z1，Z2，Z3……)干涉。當(dāng)干涉信號(hào)最強(qiáng)時(shí)，通過(guò)測(cè)量參考光路反射鏡移動(dòng)的距離(l1，l2……)，計(jì)算得出兩相鄰鏡面之間的光程。用光程除以兩相鄰鏡面之間介質(zhì)的折射率，得到待測(cè)樣品的中心間距。
 

　　頻域相干干涉測(cè)量：
 

　　基于低相干干涉原理，利用空間分光譜技術(shù)或波長(zhǎng)調(diào)諧技術(shù)，采集到包含頻譜信息的干涉信號(hào)，對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換獲取樣品的深度信息。使用標(biāo)準(zhǔn)樣品標(biāo)定得到頻譜信息與光程之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，得到待測(cè)樣品的中心間距。
 

　　譜域相干干涉測(cè)量：
 

　　采用寬帶光源，光源發(fā)出的光經(jīng)分束器分為兩束，一束進(jìn)入?yún)⒖脊饴泛蠼?jīng)反射鏡反射，原路返回分束器；另一束進(jìn)入樣品光路，經(jīng)樣品的后向散射或者反射后返回分束器，兩束光在滿足干涉條件的情況下在分束器中發(fā)生干涉，由光譜儀獲得干涉信號(hào)。
 

　　通過(guò)光譜儀中光柵的色散能力對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行空間解碼，線掃描探測(cè)器對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行采集，采集到的干涉信號(hào)是關(guān)于波長(zhǎng)的函數(shù)，由傅立葉逆變換實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的干涉信號(hào)的分離，獲取信號(hào)中攜帶的樣品深度信息。通過(guò)標(biāo)定獲得樣品深度信息與波長(zhǎng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到待測(cè)樣品的中心間距。
 

　　掃頻相干干涉測(cè)量：
 

　　掃頻光源是窄脈沖、寬光譜的快速可調(diào)諧激光器，能周期性輸出一段寬光譜的光波，在每個(gè)周期內(nèi)，按照時(shí)間先后輸出一個(gè)可近似認(rèn)為是單波長(zhǎng)的窄帶光束，相當(dāng)于光源將輸出的光波進(jìn)行了時(shí)間編碼。
 

　　采用掃頻光源，光源發(fā)出的光經(jīng)分束器分為兩束，一束進(jìn)入?yún)⒖脊饴泛蠼?jīng)反射鏡反射，原路返回分束器；另一束進(jìn)入樣品光路，由樣品的后向散射或者反射后返回分束器，兩束光在滿足干涉條件的情況下在分束器中發(fā)生干涉，由探測(cè)器獲得干涉信號(hào)。
 

　　光的干涉信號(hào)是時(shí)間的函數(shù)，用探測(cè)器探測(cè)到不同時(shí)間的干涉信號(hào)。將采集到的時(shí)間域干涉信號(hào)通過(guò)硬件或插值的方法轉(zhuǎn)換到波數(shù)域，再對(duì)信號(hào)作傅里葉變換得到信號(hào)中攜帶的樣品的深度信息。傅里葉變換得到的深度信息對(duì)應(yīng)于信號(hào)像素點(diǎn)，需要標(biāo)定像素對(duì)應(yīng)的像素距離。兩個(gè)表面之間的像素點(diǎn)數(shù)乘以像素距離得到兩個(gè)表面之間的光程，再除以材料折射率，得到待測(cè)樣品的中心間距。
 

　　測(cè)量環(huán)境：
 

　　測(cè)量環(huán)境要求如下：a) 測(cè)量環(huán)境應(yīng)在室內(nèi)，常壓條件下，無(wú)振動(dòng)、無(wú)陽(yáng)光直射；b) 測(cè)量環(huán)境相對(duì)濕度：25%~75%；c) 測(cè)量的環(huán)境溫度：20℃±2℃，環(huán)境溫度 24h 內(nèi)變化量不大于±1℃。
 

　　當(dāng)測(cè)量環(huán)境不能滿足此要求時(shí)，應(yīng)將在此環(huán)境下對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)，并將測(cè)量樣品放置于測(cè)量環(huán)境中進(jìn)行等溫調(diào)節(jié)，并應(yīng)在測(cè)量報(bào)告中注明測(cè)量環(huán)境情況。
 

　　測(cè)量前準(zhǔn)備：
 

　　測(cè)量前準(zhǔn)備工作如下：a) 查看測(cè)量設(shè)備的檢定情況。若檢定已超過(guò)有效期，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)器校驗(yàn)設(shè)備。校準(zhǔn)器的制作方法見(jiàn)附錄 A；b) 若測(cè)量設(shè)備工作環(huán)境發(fā)生變化，應(yīng)將測(cè)量設(shè)備在測(cè)量環(huán)境中等溫調(diào)節(jié) 24h 以上；c) 確認(rèn)樣品信息并將樣品進(jìn)行等溫調(diào)節(jié)；d) 記錄測(cè)量環(huán)境溫度、濕度、氣壓以及樣品等溫調(diào)節(jié)情況。
 

　　樣品測(cè)量：
 

　　樣品測(cè)量過(guò)程如下：a) 調(diào)平樣品調(diào)整臺(tái)；b) 固定樣品；c) 選擇測(cè)量光束類(lèi)型。當(dāng)樣品表面為平面時(shí)，將測(cè)量光束設(shè)置為準(zhǔn)直光束。當(dāng)樣品為曲面時(shí)，將測(cè)量光束設(shè)置為聚焦光束，可優(yōu)先將測(cè)量光束聚焦于樣品的上表面或樣品內(nèi)部；d) 對(duì)準(zhǔn)光軸。根據(jù)顯示的干涉信號(hào)強(qiáng)度，調(diào)整樣品臺(tái)的 4 個(gè)方向的自由度，使測(cè)量光軸與樣品的軸線重合，測(cè)量過(guò)程中測(cè)量光軸與樣品光軸的對(duì)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，會(huì)影響測(cè)量的結(jié)果，甚至在對(duì)準(zhǔn)偏差較大的情況下會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果無(wú)效；e) 關(guān)閉引導(dǎo)光源；開(kāi)始測(cè)量，并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)；f) 每間隔一段時(shí)間(不少于 1s)記錄一組測(cè)量數(shù)據(jù)，重復(fù)記錄 j(j≥10)組測(cè)量數(shù)據(jù)。
 

　　測(cè)量報(bào)告：
 

　　測(cè)量報(bào)告至少應(yīng)包含下列信息,見(jiàn)附錄D：a) 測(cè)量地點(diǎn)和日期；b) 測(cè)量環(huán)境溫濕度；c) 設(shè)備型號(hào)、精度、校驗(yàn)情況；d) 樣品名稱(chēng)、材料、折射率等有關(guān)輸入?yún)?shù)信息；并注明輸入的折射率參數(shù)的來(lái)源類(lèi)型，輸入的為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，標(biāo)注“輸入實(shí)測(cè)”，輸入的為理論計(jì)算得到的折射率時(shí)，應(yīng)標(biāo)注“輸入計(jì)算”；e) 測(cè)量有效性判定：測(cè)量結(jié)果有效應(yīng)標(biāo)注“有效”，測(cè)量結(jié)果無(wú)效應(yīng)標(biāo)注“無(wú)效”，測(cè)量結(jié)果未判斷有效性，則應(yīng)標(biāo)注“未判定”；f) 測(cè)量結(jié)果應(yīng)分別列出實(shí)際中心間距值和未經(jīng)折射率換算的光程值；g) 備注與本文件的任何偏離或任何影響測(cè)量結(jié)果的因素。
 

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