光學精密檢測技術介紹

大千世界之所以五彩斑斕，色彩分明，是因為有光的存在。由此可見，光學與我們每個人的生活有著密切的聯(lián)系。而在科技日新月異的當下，光學技術更是被廣泛運用到工業(yè)的各個領域，從成像光學到機器視覺，從光學材料到顯示技術，從光學照明到人造太陽，從激光制造到激光武器，從光纖通信到量子通信，都是利用光學技術和光學基本原理得以實現(xiàn)的先進技術。我們光學測試組經(jīng)過多年的刻苦鉆研和經(jīng)驗的累積，已經(jīng)在光電測量領域光具有較強的技術實力，并且已經(jīng)運用于實際的產(chǎn)品中。在此，我簡單地介紹一下我們團隊在光電測量方面的技術優(yōu)勢，讓大家領略光學的魅力，領會公司的愿景“成為全球領先的激光器及智能裝備解決方案供應商”。

自動對準技術

目前光電技術得到廣泛應用，對于光束的空間傳輸提出了很高的要求，單模光纖傳輸因其強抗干擾性，高安全性和空間模式不變的特性，正得到了廣泛應用?，F(xiàn)有的空間光束耦合到單模光纖的方法由于受機械運動，光源安裝工藝以及不可克服的環(huán)境振動和熱噪聲的影響，每次耦合都需要人工進行手動調(diào)節(jié)，而人工調(diào)節(jié)精度低，調(diào)節(jié)效率較低。針對當前存在的技術問題，我們團隊開發(fā)了一種空間光快速，自動和高效耦合到單模光纖的自動化設備，測試系統(tǒng)如圖1所示。此設備通過模擬人工調(diào)節(jié)的步驟和方法，利用視覺精確定位技術和精密運動控制技術，實現(xiàn)了對激光光源自動耦合至單模光纖。該技術特別適合對激光光源的單色性和相干性等特性的檢測與分析，圖2所示的是MZI干涉儀對850nm激光光源測量的結果，該技術在VCSEL檢測領域具有比較廣泛的應用前景。

圖1：空間光-單模光纖自動耦合系統(tǒng)

圖2： 850nm激光光源MZI干涉信號

光斑分析和測量技術

光斑測量與激光技術是緊密相關的，在激光器行業(yè)有著非常廣泛的運用，激光光斑測量是評價激光光束質量的主要手段，是指導激光設計，制造和裝配的重要依據(jù)。評價激光光束質量的指標主要涉及這些方面：第一，光束的發(fā)散角和傾斜度。發(fā)散角是用來衡量光束從束腰向外發(fā)散的速度，可以用來表征激光的準直性能。光束傾斜度是表征光束偏離出光面垂軸方向的程度，圖3所示為表征激光光束的常見參數(shù)。第二，光斑尺寸。測量光斑不同徑向的直徑大小，表征光斑的尺寸，可以用于評估激光作用范圍，特別在激光加工領域有著廣泛的運用。圖4所示為激光光斑在空間傳播的光斑大小演變圖，可以計算激光光束的數(shù)值孔徑和最小光斑尺寸。第三，橢圓度。用于表征激光光束的圓形程度，是激光光束的一個重要參數(shù)。眾所周知，半導體激光器分為垂直腔面發(fā)射激光器和邊發(fā)射激光器，由于發(fā)光原理不同，光斑的長短軸的長度存在明顯差異，測量激光光斑的橢圓度，有助于判定激光光束質量是否符合使用要求。第四，激光功率。激光能量反應激光的發(fā)光強度，在激光加工領域是表征激光加工能力大小的關鍵指標，光斑測量技術可以對光斑的能量分布進行測量和表征。

圖3 ：光斑的特征參數(shù)示意圖

圖4：激光光束空間傳輸?shù)墓獍邷y量結果

光學相干檢測技術

由于激光的相干技術測量的尺度通常與激光波長相當，當前被廣泛運用于精密測量技術，其中自混合干涉技術（SMI）技術正在被廣泛運用于傳感器領域。激光自混合干涉效應指的是在激光測量中，激光器發(fā)出的光被外部物體反射或散射，部分光反饋會與激光器腔內(nèi)光相混合，引起激光器的輸出功率、頻率發(fā)生變化，引起輸出的功率信號與傳統(tǒng)的雙光束干涉信號類似，所以被稱為SMI，原理如圖5所示。由于反射物的不同位置和相對移動速度會引起不同的SMI干涉頻率，利用這種物理現(xiàn)象，如果事先做好標定和校準就可以實現(xiàn)對微小振動和位移的精確測量，圖6和圖7分別是三角波和直流驅動下的SMI信號。如圖8所示，當反射物的運動速度在0至150mm/s的范圍內(nèi)，可以明顯看出干涉頻率與速度呈線性關系，利用這種技術可以實現(xiàn)對位置運動速度的實時在線測量。

圖5：自混合干涉技術的原理

圖6：三角波調(diào)制下的SMI信號

圖7：直流驅動下的SMI信號

圖8： SMI信號測速

光學仿真與設計

光學仿真和設計是光學行業(yè)非常重要的技術，通常在光學系統(tǒng)制造和驗證的前期需要十分嚴謹?shù)墓鈱W仿真，對光學系統(tǒng)的理想效果進行預測，并指導加工和光學器件的選型。光學仿真通常與結構尺寸，成像效果和配光效果等緊密相關。光學仿真技術被廣泛運用于成像光學設計，光源照明設計，光纖耦合傳輸和激光技術等領域。光學測試組經(jīng)過多年的技術積累，目前已在可見-紅外均勻光源設計，光路系統(tǒng)模擬驗證，光纖耦合和雜散光分析方面有著比較豐富的經(jīng)驗。如圖9所示，是專門針對532nm和940nm波長定制的均勻光源，其均勻度高達90%以上，目前已大量運用于我們開發(fā)的檢測設備中。目前場鏡被廣泛運用于激光打標，激光微加工領域，針對不同的運用場景和要求，比如不同的激光波長，不同的加工幅面，加工的精度等要求，對場鏡的參數(shù)規(guī)格也提出了更加嚴苛的要求，我們團隊在這方面也形成了較強的技術積累，如圖10所示為我們針對特定加工需求設計出的一款場鏡。

圖9：可見-近紅外均勻光源

圖10：場鏡模擬與設計

透射率與反射率檢測技術

當前針對不同的檢測對象，已經(jīng)發(fā)展出了多種的透射率和反射率的檢測方法。但是這些測試方法大多數(shù)都是基于光譜分析的測量技術。測量透射率的常見方法包括：單色儀型分光光度計測試方法，干涉型光譜分析系統(tǒng)測量方法，偏光檢測分析方法等。反射率測量的常見方法包括：單次反射光譜分析測試方法，多次反射光譜分析測試方法和激光諧振腔測試方法等。

光譜測量方法中有很多因素會影響透射率和反射率精度，這些因素主要包括：第一，被測樣品的口徑大小。當樣品小于光斑尺寸時，需要采用光闌來限制光束的大小。第二，被測樣品楔形角的影響。為減小該因素的影響，可以使光束盡量準直，并且盡量采用大口徑的積分球探測器。第三，光線偏振效應。盡量讓樣品垂直放置，并且加上偏振測試裝置。第四，光譜儀的光譜分辨率。選擇合適的分辨率，濾光片要求較高的分辨率。第五，空氣中某些充分吸收帶的影響。比如空氣中的二氧化碳吸收，解決措施是樣品室里面充氮氣。第六，被測樣品后表面的影響。測試透過率時不可避免引入后表面的影響，需要通過計算消除這種影響。針對以上影響透過率測試的因素，我們開發(fā)出如圖11和12所示的精度高，穩(wěn)定性好的透過率測和反射率檢測設備。

圖11：光譜儀透射率測試系統(tǒng)

圖12：光譜儀反射率測試系統(tǒng)

當今光學檢測技術正被廣泛運用于工業(yè)生產(chǎn)領域，隨著技術的進步和產(chǎn)品的更新，特別是消費品電子產(chǎn)品需求的不斷擴大，光學精密檢測技術將會運用得越來越廣泛，同時也會對測量能力提出越來越多的要求，比如測量結果更準，測量的重復性和穩(wěn)定性更好，測量速度更快，設備的故障率更低等。這對于我們研發(fā)部門提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，我們將時刻以市場需求為向導，開發(fā)出測量精度更高，穩(wěn)定性更好，速度更快的設備，提高公司產(chǎn)品的競爭力，為公司在市場競爭中贏得先機，最終實現(xiàn)公司的愿景。
責任編輯:tzh