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平面与曲面光学镜片的透过率反射率检测与讨论

发表时间:2017-3-6  阅读次数:1

在镀膜工艺研究过程中,透反射率高精度、高稳定度、自动化测量具有重要意义,是产品品质控制的重要手段。我们在考虑产品的适用范围方面增加了对镜头透过率测量的考虑,使该设备具有更深的使用范围。从结构上看,透反射率测量系统由光源、测量主体及探测器等三部分组成。其中测量主体是用来实现测量原理的光路装置,它由待测样品和其它辅助光学镜片构成。本设备使用单次反射法对样品进行测量。

一、     光学设计方案

透过率测试有很多种光路设计方案,都是针对不同的应用产品设计的,有的是为了便携,有的采用特定单色光,有的采用全波段光,有的还具有光谱测量功能,总之根据产品不同,大家采用的光学光路方案不尽相同,测量精度也有很大的差别。

我们的方案是使用下面的全波段光学光路方案:

1.png

         1-1

测量方法是将输入光源光束经过分光镜被一分为二,分光镜的透射光直接被光路l的光电池接收,这一路作为测量光强,反射光经样品反射后被光路2的光电池接收,这一路作为参考光强,两个光电池输出的光电流分别被互阻放大电路线性转化为电压,通过板载ADC进行模数转换,由嵌入式MCU进行计算再输入给PC机显示出来。测量透射率时,只需把光路1的光电池传感器旋转到样品透射光线方向直接接收即可。下面对信号转换关系进行简要的叙述。设光源光强值为P,光电池输出电流值与其接收光强值成正比,则光路l的光电池输出电流可表示为I1=K1×T×P,光路2的光电池输出电流可表示为I2=K2× R× P,其中K1、K2分别为光路l和光路2的光电池光强/光电流线性转换因子,T是分光镜透射率,  R是分光镜反射率。光电池输出电流经过互阻放大电路线性放大后,输出一个电压信号,光路1输出电压信号V1=I1×Rf1,光路2输出电压信号V2=I2×Rf2,其中Rf1,Rf2分别为光路l和光路2的互阻放大电路电流/电压线性转换因子,俗称放大倍数。

二、     测量原理推导过程

我们使用透射方式作为推导举例,反射方式的计算也是一样的,我们假定在光路1中作为镜片加入光路。完整的测量需要分两步:

第一步我们首先调校好光路,不放入待测镜片,分别使两路光线的光斑都进入到各自的光电池传感器上,这样在两路光电池传感器上就产生了对应的光生电压,我们来分别计算这两路传感器上的信号值,我们假设此时光源的光强为P ,那么我们得到以下结果:

光路1输出电压信号V1= Rf1×K1×T×P;  (2-1)

光路2输出电压信号V2= Rf2×K2×R×P;  (2-2)

第二步放置样品后再次进行测量,设样品的反射率是T,保持光路1的光电池旋臂不动,使它可以完全接收样品的反射光,再对光路l、2输出电压信号进行采集,设此时光源光强值是上次信号采集时的α倍,这个参数描述的是光源是有波动,是不完全稳定的,则此时的光源光强为P×α,这时

光路1输出电压信号  V1= Rf1×K1×T×P×α;  (2-3)

光路2输出电压信号V2= Rf2×K2×R×P×α; (2-4)

    当所有这些信号都采集完后,透射率T计算如下:

T = (V1/V2) / (V1/V2)                    (2-5)

    我们将式2-1,2-2,式2-3,式2-4代入式2-5,可以明确看出,光源光强波动对测量结果几乎是没有任何影响的,因为他们都在计算过程中被消掉了。这也是我们设计开发这台测量仪的理论基础。

三、     电气实现方案的构思:

我们的开发方案决定采用计算机为主的方案,由计算机全程控制透、反射率的测量及测量结果的保存,为此我们需要设计一套完善的计算机和嵌入式正确通信的通信协议,为实现该功能,我们的底层硬件采用STM32MCU+ADC+精密运算放大电路的方案,使用电动单色仪和多光源组合,可以实现350nm~1100nm波段自动扫测,扫描步长任意可调,在对镜片进行反射率的测量过程中,我们也考虑设计了入射角自动扫测的功能,可以按照设定的转动角度步长,自动在15~60度之间连续扫测,该方案集采样、计算于一体,设备的自动化程度非常高。

光电探测器是我们测量设备的关键元件,光电转换电路的设计是该设备精度的保证,我们利用硅光电池光生电流和光功率成线性关系的特点,设计出如下信号放大电路:

2.png

在以上电路中,我们将光电池比作恒流源,CdRi是光电池的等效电容及等效电阻,为了要保证测量带宽,我们需要选择等效电阻、电容较小的硅光电池作为测量元件。在此类设备中,光源的功率一般都比较小,在硅光电池上产生的光生电流一般才uA级甚至更低,导致我们需要使用较大的反馈电阻Rf,一般需要M级甚至更大的,也就是这一级放大倍数就是数百万倍,甚至是千万倍,器件必选选择高精度和高稳定性的。这样的设计这也带来了负面效果,这就是很容易受到环境干扰的影响,微小信号的干扰进过放大器后都会显著影响测量值,我们在实际调试过程中,总是发现有50HZ的干扰信号,采集的数据稳定性不够,为此我们做了两个方面的工作,一是在PCB板设计时考虑抗干扰问题,主要采用良好接地,严格数字电路和模拟电路的分离,设计合适的敷铜。二是设计了一个50HZ后级限波电路,过滤掉这个干扰,双管齐下后数据的稳定性将得到很大的提高。

光电池类型的选择:我们在制定方案时,确定的波段适用范围是350nm~1100nm,这就要求我们需要选择不同的光电传感器以适应实际的需要。从下面的硅光电池典型特性曲线图中,我们可以发现,两种不同的硅光电池,它们的的适应波长是不一致的,其中有一种类型在紫外部分具有比较好的光生反应,所以在350nm1100nm范围内,我们采用两种类型的传感器,以适应实际测量的需要。

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这是一个硅光电池的典型光电特性图,从这个图上我们可以看到光电池在不同波长情况下光生电流灵敏度差56倍,要实现350nm~1100nm波段范围内自动扫测,我们设计了运算放大电路的放大倍数自适应调整电路,当采集信号小于我们要求的最低分辨率要求时,我们智能地改变增益的大小,以适应最低分辨率的要求,从而最终满足有效的精确度。

在信号采集电路上,为了减少信号采集延迟可能带来的误差,我们选用了一款双通道可以同时转换的ADC,这样的设计避免了前后不同时采样而引起的细微测量波动。

四、      PC机软件的设计

PC机软件设计分两大部分,一是对设备的控制功能;二是对测量结果进行曲线绘制和保存功能。在设备控制上,我们主要依据测量的步骤,需要的参数设计了各种参数框,比如波长步进、波段范围、转动角度、角度步进等等。各主要参数在设置完后,通过一个开始测量按钮将会使PC机向下传送所有需要的参数,下位机将按照设定的参数一步步完成测量,每一步完成后将向PC机返回测量数据。PC端软件实现的另一个功能就是对测量结果的自动分类保存和测量数据的可视化曲线显示。数据保存的设计思路是以计算机日期为保存文件夹,以日为单位,按年、月、日区分文件夹,当日检测的所有结果都可以保存在该目录下;第二个主要功能是测量数据的可视化曲线描绘,把需要测量的波段或旋转的角度作为X轴,测量的透过率或反射率作为Y轴,将每一步测量的数据用线把它链接起来,实现直观化,便于用来分析镜片特性。

五、     实验测试数据分析

在第一台试制样机上,我们使用532nm光线测量了一款镀膜镜片,连续测量了50次,测量的数据如下:

1

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99.62%

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99.58%

99.57%

99.58%

99.59%

99.63%

      5-1

 

           

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                            图 5-2

分析测量数据,均值为99.61%,最大值99.67%,最小值99.56%,极差为0.11%,标准数据误差为:0.03%,测量结果基本符合预期设计要求。

 

透反仪(直接测试平片/透镜绝对反射率和透过率)

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