浅谈光学精密测量技术

shuszhao

大千世界之所以五彩斑斓，色彩分明，是因为有光的存在。由此可见，光学与我们每个人的生活有着密切的联系。而在科技日新月异的当下，光学技术更是被广泛运用到工业的各个领域，从成像光学到机器视觉，从光学材料到显示技术，从光学照明到人造太阳，从激光制造到激光武器，从光纤通信到量子通信，都是利用光学技术和光学基本原理得以实现的先进技术。我们光学测试组经过多年的刻苦钻研和经验的累积，已经在光电测量领域光具有较强的技术实力，并且已经运用于实际的产品中。在此，我简单地介绍一下我们团队在光电测量方面的技术优势，让大家领略光学的魅力，领会公司的愿景“成为全球领先的激光器及智能装备解决方案供应商”。


自动对准技术

目前光电技术得到广泛应用，对于光束的空间传输提出了很高的要求，单模光纤传输因其强抗干扰性，高安全性和空间模式不变的特性，正得到了广泛应用。现有的空间光束耦合到单模光纤的方法由于受机械运动，光源安装工艺以及不可克服的环境振动和热噪声的影响，每次耦合都需要人工进行手动调节，而人工调节精度低，调节效率较低。针对当前存在的技术问题，我们团队开发了一种空间光快速，自动和高效耦合到单模光纤的自动化设备，测试系统如图1所示。此设备通过模拟人工调节的步骤和方法，利用视觉精确定位技术和精密运动控制技术，实现了对激光光源自动耦合至单模光纤。该技术特别适合对激光光源的单色性和相干性等特性的检测与分析，图2所示的是MZI干涉仪对850nm激光光源测量的结果，该技术在VCSEL检测领域具有比较广泛的应用前景。

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图1：空间光-单模光纤自动耦合系统

                               
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图2： 850nm激光光源MZI干涉信号


光斑分析和测量技术

光斑测量与激光技术是紧密相关的，在激光器行业有着非常广泛的运用，激光光斑测量是评价激光光束质量的主要手段，是指导激光设计，制造和装配的重要依据。评价激光光束质量的指标主要涉及这些方面：第一，光束的发散角和倾斜度。发散角是用来衡量光束从束腰向外发散的速度，可以用来表征激光的准直性能。光束倾斜度是表征光束偏离出光面垂轴方向的程度，图3所示为表征激光光束的常见参数。第二，光斑尺寸。测量光斑不同径向的直径大小，表征光斑的尺寸，可以用于评估激光作用范围，特别在激光加工领域有着广泛的运用。图4所示为激光光斑在空间传播的光斑大小演变图，可以计算激光光束的数值孔径和最小光斑尺寸。第三，椭圆度。用于表征激光光束的圆形程度，是激光光束的一个重要参数。众所周知，半导体激光器分为垂直腔面发射激光器和边发射激光器，由于发光原理不同，光斑的长短轴的长度存在明显差异，测量激光光斑的椭圆度，有助于判定激光光束质量是否符合使用要求。第四，激光功率。激光能量反应激光的发光强度，在激光加工领域是表征激光加工能力大小的关键指标，光斑测量技术可以对光斑的能量分布进行测量和表征。

        

                               
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图3 ：光斑的特征参数示意图

                               
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图4：激光光束空间传输的光斑测量结果


光学相干检测技术

由于激光的相干技术测量的尺度通常与激光波长相当，当前被广泛运用于精密测量技术，其中自混合干涉技术（SMI）技术正在被广泛运用于传感器领域。激光自混合干涉效应指的是在激光测量中，激光器发出的光被外部物体反射或散射，部分光反馈会与激光器腔内光相混合，引起激光器的输出功率、频率发生变化，引起输出的功率信号与传统的双光束干涉信号类似，所以被称为SMI，原理如图5所示。由于反射物的不同位置和相对移动速度会引起不同的SMI干涉频率，利用这种物理现象，如果事先做好标定和校准就可以实现对微小振动和位移的精确测量，图6和图7分别是三角波和直流驱动下的SMI信号。如图8所示，当反射物的运动速度在0至150mm/s的范围内，可以明显看出干涉频率与速度呈线性关系，利用这种技术可以实现对位置运动速度的实时在线测量。

                               
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图5：自混合干涉技术的原理         

                               
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图6：三角波调制下的SMI信号

                               
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图7：直流驱动下的SMI信号              

                               
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图8： SMI信号测速


光学仿真与设计

光学仿真和设计是光学行业非常重要的技术，通常在光学系统制造和验证的前期需要十分严谨的光学仿真，对光学系统的理想效果进行预测，并指导加工和光学器件的选型。光学仿真通常与结构尺寸，成像效果和配光效果等紧密相关。光学仿真技术被广泛运用于成像光学设计，光源照明设计，光纤耦合传输和激光技术等领域。光学测试组经过多年的技术积累，目前已在可见-红外均匀光源设计，光路系统模拟验证，光纤耦合和杂散光分析方面有着比较丰富的经验。如图9所示，是专门针对532nm和940nm波长定制的均匀光源，其均匀度高达90%以上，目前已大量运用于我们开发的检测设备中。目前场镜被广泛运用于激光打标，激光微加工领域，针对不同的运用场景和要求，比如不同的激光波长，不同的加工幅面，加工的精度等要求，对场镜的参数规格也提出了更加严苛的要求，我们团队在这方面也形成了较强的技术积累，如图10所示为我们针对特定加工需求设计出的一款场镜。

                               
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图9：可见-近红外均匀光源              

                               
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图10：场镜模拟与设计


透射率与反射率检测技术

当前针对不同的检测对象，已经发展出了多种的透射率和反射率的检测方法。但是这些测试方法大多数都是基于光谱分析的测量技术。测量透射率的常见方法包括：单色仪型分光光度计测试方法，干涉型光谱分析系统测量方法，偏光检测分析方法等。反射率测量的常见方法包括：单次反射光谱分析测试方法，多次反射光谱分析测试方法和激光谐振腔测试方法等。
光谱测量方法中有很多因素会影响透射率和反射率精度，这些因素主要包括：第一，被测样品的口径大小。当样品小于光斑尺寸时，需要采用光阑来限制光束的大小。第二，被测样品楔形角的影响。为减小该因素的影响，可以使光束尽量准直，并且尽量采用大口径的积分球探测器。第三，光线偏振效应。尽量让样品垂直放置，并且加上偏振测试装置。第四，光谱仪的光谱分辨率。选择合适的分辨率，滤光片要求较高的分辨率。第五，空气中某些充分吸收带的影响。比如空气中的二氧化碳吸收，解决措施是样品室里面充氮气。第六，被测样品后表面的影响。测试透过率时不可避免引入后表面的影响，需要通过计算消除这种影响。针对以上影响透过率测试的因素，我们开发出如图11和12所示的精度高，稳定性好的透过率测和反射率检测设备。

                               
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图11：光谱仪透射率测试系统

                               
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图12：光谱仪反射率测试系统
当今光学检测技术正被广泛运用于工业生产领域，随着技术的进步和产品的更新，特别是消费品电子产品需求的不断扩大，光学精密检测技术将会运用得越来越广泛，同时也会对测量能力提出越来越多的要求，比如测量结果更准，测量的重复性和稳定性更好，测量速度更快，设备的故障率更低等。这对于我们研发部门提出了更高的要求和挑战，我们将时刻以市场需求为向导，开发出测量精度更高，稳定性更好，速度更快的设备，提高公司产品的竞争力，为公司在市场竞争中赢得先机，最终实现公司的愿景。

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