高精度光学间隔测量装置和测量方法
【专利摘要】一种高精度光学间隔测量装置和测量方法，装置包括：短相干光源、激光测长光源、照明指示用光源、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、测量光路、参考镜光路、延迟扫描光路、波分复用器、第一光电探测器、第二光电探测器、连接光纤、环境传感器。本发明采用时域光学相干层析技术，利用宽带光源及高精度延迟扫描光路实现光学元件间隔的非接触测量，通过共光路激光测长技术获取延迟光路的精确位移，采用五步相移干涉条纹包络的提取算法以及通过环境补偿，消除测量误差，提高测量精度，在测量范围内间隔测量精度可达到亚微米级，同时在光学仪器装调过程中可以实现实时测量，提高测量效率。
【专利说明】高精度光学间隔测量装置和测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学测量领域，具体涉及一种非接触的基于光纤迈克尔逊干涉原理的 测量装置和测量方法对透镜中心厚度与透镜间隔进行测量。
【背景技术】
[0002] 在光学领域中，透镜作为组成光学系统的最基本的光学元件，其中心厚度的加工 误差将直接影响到整个光学系统的成像质量。在光学仪器装调过程中，光学元件位置误 差对整机光学装配质量影响较大，也是较难控制的误差，特别是在光刻机曝光系统、航测镜 头、干涉仪标准镜头、激光谐振腔等高性能精密光学系统的装配过程中，对透镜中心间隔都 有很严格的控制要求，其透镜中心间隔的一点点偏差都可能导致成像质量的劣化。如何解 决光学元件的位置精度是保证其光学性能的关键所在。
[0003] 在传统的光学测量中，目前大多数采用百分表或千分表等进行接触式测量或和间 接式纯光学方法进行测量。接触式测量的主要缺点是容易擦毛透镜表面的增透膜，测量力 易使零件表面损伤，因此测量精度较低。而间接式测量，因需要换算参数而使其精度降低。 并且，上述两种方法测量都较难准确找到透镜的实际中心，因此测量精度都不高，不适用于 高性能物镜的装校。
[0004] 在现有技术中，"光学透镜中心厚度测量系统及方法"（参见中国专利 CN102435146A)中，公开了一套基于光学共焦法的非接触透镜中心厚度测量系统，其测量简 单快捷，但是其测量范围小，受到光源中最短波长与最长波长焦点距离的限制，适用于单透 镜的测量，其精度受到测量范围及光谱仪光学分辨率的制约。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提高光学测量中光学间隔的测量精度以及效率，并提供一种基 于光纤迈克尔逊干涉原理的高精度光学间隔测量装置和方法，采用时域光学相干层析技 术，利用宽带光源及高精度延迟扫描光路实现光学元件间隔的非接触测量，通过共光路激 光测长技术获取延迟光路的精确位移，采用五步相移干涉条纹包络的提取算法以及通过环 境补偿，消除测量误差，提高测量精度，在测量范围内间隔测量精度可达到亚微米级，同时 在光学仪器装调过程中可以实现实时测量。
[0006] 本发明的技术解决方案具体如下：
[0007] -种高精度光学间隔测量装置，为双光纤耦合器结构，具体包括：短相干光源、激 光测长光源、照明指示用光源、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、测量光路、参考镜光路、 延迟扫描光路、波分复用器、第一光电探测器、第二光电探测器、连接光纤、环境传感器。
[0008] 短相干光源和第二光纤耦合器分别连接在第一光纤耦合器的一侧的两个端口，激 光测长光源和测量光路分别连接在第一光纤耦合器的另一侧的两个端口，照明指示用光源 与测量光路连接；参考镜光路和延迟扫描光路分别连接在第二光纤耦合器的另一侧的两个 端口，波分复用器与第二光纤耦合器的一侧的一个端口连接，第一和第二光电探测器分别 与波分复用器的两个输出端口连接。
[0009] 所述的短相干光源为超福射发光二极管（Superluminescent LED)，为宽带光源， 具有很小的相干长度，作为装置的干涉信号测量光源。
[0010] 所述的激光测长光源为分布式反馈激光器（Distributed FeedBack Laser)，具有 非常好的单色性，作为装置的测长定位光源。
[0011] 所述的照明指示用光源为激光二极管，发出可见光用以配合待测物光轴位置的调 节。
[0012] 所述的测量光路包括四维调整架、可调焦光纤聚焦镜头、待测物及安装架。测量光 路通过可调焦光纤聚焦镜头与第一光纤耦合器连接，短相干光源发出的测量光束经过第一 光纤耦合器进入测量光路中的可调焦光纤聚焦镜头，经过待测物中的各表面所反射，回到 第一光纤耦合器后进入第二光纤耦合器。安装架用于调整并固定待测物的位置，四维调整 架对可调焦光纤聚焦镜头进行固定并进行指向及位置调节，保证其光轴与待测物的光轴重 合。可调焦光纤聚焦镜头放置于测量光路的最前端，可以通过调整可调焦光纤聚焦镜头出 射光束的聚焦位置，保证待测物中各表面反射回来的光束大部分回到可调焦光纤聚焦镜头 中。
[0013] 所述的参考镜光路包括一个光纤后向反射器，通过连接光纤与第二光纤稱合器相 连，对测量光路中待测物中各表面的反射光束进行反射。光纤后向反射器的位置应位于对 应延迟扫描光路中可移动扫描反射镜的初始位置（离光纤准直镜头最近的位置），即光纤 后向反射器与延迟扫描光路中可移动扫描反射镜的初始位置是等光程的。
[0014] 所述的延迟扫描光路包括光纤准直镜头、可移动扫描反射镜及电机驱动移动平 台。光纤准直镜头放置于延迟扫描光路的最前端，延迟扫描光路通过光纤准直镜头与第二 光纤耦合器连接，短相干测量光束及激光测长光束通过光纤准直镜头准直后入射到可移动 扫描反射镜上并反射，回到第二光纤耦合器中。可移动扫描反射镜安装在一个电机驱动移 动平台上，测量过程中以一定的速度匀速运动，其位置移动信息通过激光测长光束分别在 参考镜光路和可移动扫描反射镜的反射光束所产生的干涉信号测量得到。
[0015] 所述的波分复用器为1310/1550nm波分复用器，用于将两种不同波长的干涉信号 进行分离，分为两路，分别进入第一和第二光电探测器。
[0016] 所述的第一、第二光电探测器用于分别接收波长1310nm的短相干测量光束以及 波长1550nm的激光测长光束所产生的干涉信号，并与计算机连接显示。
[0017] 所述的连接光纤均为单模保偏光纤，避免由于偏振模色散引起的测量误差。
[0018] 所述的环境传感器分别探测在当前环境下的气温、气压、相对湿度以及延迟扫描 光路中的内部气温，应用于算法中对折射率计算值的补偿，保证间隔测量的精度。
[0019] 利用上述光学间隔测量装置对待测物光学间隔的测量方法，该方法包括下列步 骤：
[0020] ①将照明指示用光源通过光纤连接至测量光路中，将光源打开，通过安装架固定 待测物，通过调节四维调整架调节可调焦光纤聚焦镜头的位置，根据待测物中各表面反射 回来的光点，调节可调焦光纤聚焦镜头的出射光束至待测物）的中心位置，即待测物的光 轴与测量光路中测量光束的的光轴重合；
[0021] ②关闭照明指示用光源，将连接第一光纤耦合器第④端口的光纤替换照明指示用 光源与测量光路的连接光纤，打开短相干光源和激光测长光源，调节测量光路中的可调焦 光纤聚焦镜头，使待测物中各表面反射光的耦合强度尽可能大；
[0022] ③控制所述的延迟扫描光路中的电机驱动移动平台匀速带动可移动扫描反射镜 移动，第一光电探测器和第二光电探测器分别将测得的干涉信号输入计算机；
[0023] ④计算机进行数据处理，得出待测物的光学间隔：
[0024] 利用基于移相干涉的五步相移非线性算法进行干涉信号的提取，按下式算出每个 采样点的相位的正切值，
【权利要求】
1. 一种高精度光学间隔测量装置，其特征在于为双光纤耦合器结构，包括短相干光源 (1)、激光测长光源（2)、照明指示用光源（3)、第一光纤耦合器（4)、第二光纤耦合器（5)、测 量光路（6)、参考镜光路（7)、延迟扫描光路（8)、波分复用器（9)、第一光电探测器（10)、第 二光电探测器（11)、连接光纤（12)和环境传感器（13)，所述的测量光路（6)包括四维调整 架（601)、可调焦光纤聚焦镜头￠02)、待测物（603)和安装架￠04)，所述的可调焦光纤聚 焦镜头（602)置于四维调整架（601)上，所述的待测物（603)置于安装架（604)上，所述的 参考镜光路（7)包括一个光纤后向反射器（701)，所述的延迟扫描光路（8)包括光纤准直镜 头（801)、可移动扫描反射镜（802)和电机驱动移动平台（803)，所述的可移动扫描反射镜 (802)置于所述的电机驱动移动平台（803)上，上述元部件的位置关系如下： 所述的短相干光源（1)的输出端通过光纤与所述的第一光纤f禹合器（4)第①端口相 连，所述的激光测长光源（2)的输出端通过光纤与第一光纤耦合器（4)的第③端口相连，所 述的测量光路￠)中的可调焦光纤聚焦镜头（602)通过光纤与所述的第一光纤耦合器（4) 的第④端口相连，在测量开始前要先对所述的测量光路￠)中测量光束与待测物￠03)的 光轴进行对准，此时所述的照明指示用光源（3)通过光纤与所述的测量光路（6)中的可调 焦光纤聚焦镜头（602)相连； 所述的第一光纤耦合器（4)的第②端口经光纤与第二光纤耦合器（5)的第①端口相 连，第二光纤耦合器（5)的第③端口经光纤与所述的光纤后向反射器（701)相连，第二光纤 耦合器（5)的第④端口的连接光纤的另一端置于所述的延迟扫描光路（8)中的光纤准直镜 头（801)的前焦点，第二光纤稱合器（5)的第②端口经光纤与所述的波分复用器（9)的输 入端相连，该波分复用器（9)的两个输出端分别与所述的第一光电探测器（10)和第二光电 探测器（11)相连，所述的第一光电探测器（10)和第二光电探测器（11)的输出端与计算机 的输入端相连。
2. 根据权利要求1所述的高精度光学间隔测量装置，其特征在于所述的短相干光源 (1) 为超辐射发光二极管，中心波长= 1310nm，相干长度为15μπι。
3. 根据权利要求1所述的高精度光学间隔测量装置，其特征在于所述的激光测长光源 (2) 为分布式反馈激光器，中心波长λ USEK = 1550nm，-3dB线宽为2MHz。
4. 根据权利要求1所述的高精度光学间隔测量装置，其特征在于所述的照明指示用光 源（3)为激光二极管，中心波长λ = 655nm。
5. 根据权利要求1所述的高精度光学间隔测量装置，其特征在于所述的波分复用器 (9)为1310/1550nm波分复用器。
6. 根据权利要求1所述的高精度光学间隔测量装置，其特征在于所述的第一光电探测 器（10)和第二光电探测器（11)的光谱响应范围为950?1650nm，分别接收波长1310nm的 短相干测量光束及波长1550nm的激光测长光束所产生的干涉信号。
7. 根据权利要求1所述的高精度光学间隔测量装置，其特征在于所述的连接光纤（12) 为单模保偏光纤，截止波长为1260nm。
8. 利用权利要求1所述的光学间隔测量装置对待测物光学间隔的测量方法，其特征在 于该方法包括下列步骤： ①将照明指示用光源（3)通过光纤连接至测量光路（6)中，将光源打开，通过安装架 (604)固定待测物（603)，通过调节四维调整架（601)调节可调焦光纤聚焦镜头（602)的位 置，根据待测物（603)中各表面反射回来的光点，调节可调焦光纤聚焦镜头（602)的出射光 束至待测物￠03)的中心位置，即待测物￠03)的光轴与测量光路￠)中测量光束的的光 轴重合； ② 关闭照明指示用光源（3)，将连接第一光纤耦合器（4)第④端口的光纤替换照明指 示用光源（3)与测量光路（6)的连接光纤，打开短相干光源（1)和激光测长光源（2)，调节 测量光路（6)中的可调焦光纤聚焦镜头￠02)，使待测物（603)中各表面反射光的耦合强度 尽可能大； ③ 控制所述的延迟扫描光路（8)中的电机驱动移动平台（803)匀速带动可移动扫描反 射镜（802)移动，第一光电探测器（10)和第二光电探测器（11)分别将测得的干涉信号输 入计算机； ④ 计算机进行数据处理，得出待测物￠03)的光学间隔： 利用基于移相干涉的五步相移非线性算法进行干涉信号的提取，按下式算出每个采样 点的相位的正切值，urn⑷= #·(/2-/4)2-(/|-Μ ； -/ι + 2/.? - h 其中Ip 12、13、14、15分别为五个相邻米样点的光强值， 利用edlen公式对空气的折射率及群折射率进行修正： n15_l = [8342. 13+2406030 (130- σ 2) _i+15997 (38. 9- σ 2) ―1] X 1〇_8 /7 卜/，("丨5-1)\1 + /，(〇·817-0·0133，)χ10 6 ，η，'ρ - 720.775 Χ 1 + 0.0036610/ ; nt,P,f = nt'p_f(5. 7224-0. 0457 σ 2) X 1〇_8 利用测量光路（6)与延迟扫描光路（8)中光学群延迟的比较来得出待测物（603)中的 光学间隔D_, 7%,, .又2 / 4ττ ng,air(Al. Tref, p, RH) · Dref ng， air(入!，Tmea，P，RH) *Dmea " --<χ. ii//r(yll, Tret, /?// ) {^(p2-(P\) * Λ 2 Umea --;-.- 〇 "/''(/11，7 '"r"，,·?，/?//). ""/'-(/12,，p，/?//) 式中，naii·与n&aii·分别代表空气的折射率及群折射率，它们由波长λι或者 λ2、气温、 气压Ρ以及相对湿度RH所决定，其折射率的计算公式为edlen公式： n15_l = [8342. 13+2406030 (130- σ 2) _i+15997 (38. 9- σ 2) ―1] X 1〇_8 ]_ p(nt, -1).,1 + /Η〇·817 - 0.0133t) χ 10 6 U，'p - 720.775 Χ 1 + 0.0036610^ nt,P,f = nt'p_f(5. 7224-0. 0457 σ 2) X 1〇_8 式中：(η15_1)为在一个标准大气压、15°C下空气中的折射率，σ为真空中的波数，为波 长λ的倒数，单位为μπΓ1，（rvP_l)为标准空气中受到气温和气压影响的折射率，n t$f为 标准空气中受到气温、气压以及水汽分压影响的折射率，t为气温°C，ρ为气压Torr，f为 水汽分压Torr，由rv P，f可以得到折射率及其波长的色散关系，利用群折射率的公式 《乂)="⑷-.士_2，即可以得出对应的群折射率ng air。 〇Α ，
【文档编号】G01B11/00GK104215176SQ201410472652
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月17日 优先权日:2014年9月17日
【发明者】杨宝喜, 魏张帆, 胡小邦, 李璟, 陈明, 朱菁, 薛佩佩, 黄惠杰 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所