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

　　【儀表網(wǎng) 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)】近日，由中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所 、中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 、中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院 、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 、中國計量科學(xué)研究院 、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所 、長春奧普光電技術(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)督檢測研究院等單位起草的國家標(biāo)準(zhǔn)計劃《光電系統(tǒng)中光學(xué)中心間距的測定 低相干干涉測量法》征求意見稿發(fā)布，并公開征求意見。截止時間2023年4月17 日。
 

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

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

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

　　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量方法測量光電系統(tǒng)中光學(xué)中心間距的原理、測量條件、測量設(shè)備、測量步驟、測量數(shù)據(jù)處理、精密度和測量報告。本文件適用于光電系統(tǒng)中光學(xué)中心間距的測量，例如對透鏡、鏡頭光學(xué)中心間距的測量及光學(xué)平板厚度、間距等的測量。
 

　　原理：
 

　　低相干干涉測量：
 

　　寬帶光源發(fā)出的光束經(jīng)光電耦合器分成兩束，一束進入樣品光路后照射到樣品上發(fā)生后向散射；另一束進入?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)光電耦合器會合，當(dāng)兩者的光程差小于光源的相干長度時，兩束光發(fā)生干涉，通過光電探測器探測到干涉信號。當(dāng)參考光路和樣品光路的光程差為零時，干涉信號最強。基于相干干涉的原理，利用寬帶光源的低相干特性，通過光電探測器探測等光程時的干涉信號，實現(xiàn)光學(xué)面定位的方法。根據(jù)信號獲取方式的不同，分為時域相干干涉測量和頻域相干干涉測量。
 

　　時域相干干涉測量：
 

　　基于低相干干涉原理，通過機械運動裝置移動參考光路反射鏡的位置，實現(xiàn)待測樣品不同位置的鏡面(Z1，Z2，Z3……)干涉。當(dāng)干涉信號最強時，通過測量參考光路反射鏡移動的距離(l1，l2……)，計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，得到待測樣品的中心間距。
 

　　頻域相干干涉測量：
 

　　基于低相干干涉原理，利用空間分光譜技術(shù)或波長調(diào)諧技術(shù)，采集到包含頻譜信息的干涉信號，對干涉信號進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應(yīng)關(guān)系，通過數(shù)據(jù)處理，得到待測樣品的中心間距。
 

　　譜域相干干涉測量：
 

　　采用寬帶光源，光源發(fā)出的光經(jīng)分束器分為兩束，一束進入?yún)⒖脊饴泛蠼?jīng)反射鏡反射，原路返回分束器；另一束進入樣品光路，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。
 

　　通過光譜儀中光柵的色散能力對波長進行空間解碼，線掃描探測器對干涉信號進行采集，采集到的干涉信號是關(guān)于波長的函數(shù)，由傅立葉逆變換實現(xiàn)不同波長的干涉信號的分離，獲取信號中攜帶的樣品深度信息。通過標(biāo)定獲得樣品深度信息與波長之間的對應(yīng)關(guān)系，最后由計算機進行數(shù)據(jù)處理，得到待測樣品的中心間距。
 

　　掃頻相干干涉測量：
 

　　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，在每個周期內(nèi)，按照時間先后輸出一個可近似認(rèn)為是單波長的窄帶光束，相當(dāng)于光源將輸出的光波進行了時間編碼。
 

　　采用掃頻光源，光源發(fā)出的光經(jīng)分束器分為兩束，一束進入?yún)⒖脊饴泛蠼?jīng)反射鏡反射，原路返回分束器；另一束進入樣品光路，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，由探測器獲得干涉信號。
 

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

　　測量環(huán)境：
 

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

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

　　測量前準(zhǔn)備：
 

　　測量前準(zhǔn)備工作如下：a) 查看測量設(shè)備的檢定情況。若檢定已超過有效期，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)器校驗設(shè)備。校準(zhǔn)器的制作方法見附錄 A；b) 若測量設(shè)備工作環(huán)境發(fā)生變化，應(yīng)將測量設(shè)備在測量環(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行等溫調(diào)節(jié)；d) 記錄測量環(huán)境溫度、濕度、氣壓以及樣品等溫調(diào)節(jié)情況。
 

　　樣品測量：
 

　　樣品測量過程如下：a) 調(diào)平樣品調(diào)整臺；b) 固定樣品；c) 選擇測量光束類型。當(dāng)樣品表面為平面時，將測量光束設(shè)置為準(zhǔn)直光束。當(dāng)樣品為曲面時，將測量光束設(shè)置為聚焦光束，可優(yōu)先將測量光束聚焦于樣品的上表面或樣品內(nèi)部；d) 對準(zhǔn)光軸。根據(jù)顯示的干涉信號強度，調(diào)整樣品臺的 4 個方向的自由度，使測量光軸與樣品的軸線重合，測量過程中測量光軸與樣品光軸的對準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，會影響測量的結(jié)果，甚至在對準(zhǔn)偏差較大的情況下會導(dǎo)致測量結(jié)果無效；e) 關(guān)閉引導(dǎo)光源；開始測量，并記錄測量數(shù)據(jù)；f) 每間隔一段時間(不少于 1s)記錄一組測量數(shù)據(jù)，重復(fù)記錄 j(j≥10)組測量數(shù)據(jù)。
 

　　測量報告：
 

　　測量報告至少應(yīng)包含下列信息,見附錄D：a) 測量地點和日期；b) 測量環(huán)境溫濕度；c) 設(shè)備型號、精度、校驗情況；d) 樣品名稱、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)的來源類型，輸入的為實測數(shù)據(jù)時，標(biāo)注“輸入實測”，輸入的為理論計算得到的折射率時，應(yīng)標(biāo)注“輸入計算”；e) 測量有效性判定：測量結(jié)果有效應(yīng)標(biāo)注“有效”，測量結(jié)果無效應(yīng)標(biāo)注“無效”，測量結(jié)果未判斷有效性，則應(yīng)標(biāo)注“未判定”；f) 測量結(jié)果應(yīng)分別列出實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量結(jié)果的因素。
 

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