光学镜组镜面间隙测量装置和测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测量装置，特别是一种光学镜组镜面间隙测量装置和测量方法。
【背景技术】
[0002] 在大部分光学系统中，透镜是最基本的光学元件，其中心厚度的加工精度和透镜 安装时的相对位置决定了光学系统的成像质量。特别是对于高精密光学系统，对透镜中心 厚度和镜面间隔的公差有着严格的要求，利用传统的测量方法难以满足要求。为弥补接触 式测量的不足，国内外提出了较多的非接触式测量方法，如光学共焦法、白光色散法、图像 测量法等，但对于多器镜组仍然难以同时测量每一片透镜的中心厚度和镜面间距。
[0003] 在现有技术1中，"白光干涉透镜中心厚度测量系统及方法"（见中国专利CN 104154869 A)中，公开了一种利用白光干涉对透镜中心厚度进行测量的测量方法，其测量 简单快捷，但迈克尔逊干涉结构本身存在回波干扰的问题，反射光返回到激光器中会对激 光器的稳定性造成影响，而且迈克尔逊干涉测量系统属于非平衡探测，该情况下仅利用了 耦合器的一路输出信号（另一路返回到激光器中），光电探测器探测到的不仅仅是干涉信 号，还包括直流本底信号，而直流本底信号本身含有强度起伏噪声，并非绝对的直流，以上 问题都会对测量结果造成影响。
[0004] 在现有技术2中，"高精度光学间隔测量装置和测量方法"（参见中国专利CN 104215176 A)中，公开了一种基于光纤迈克尔逊干涉原理的测量方法，其采用双光纤耦合 器结构实现白光干涉测量结构和激光测长结构的共光路设计，消除环境因素对光纤结构的 影响，但双光纤耦合器的设计会使镜面反射光信号经过多次衰减，最后的输出信号较弱，难 以对多透镜结构镜组进行测量，可测范围相对较小。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为解决现有镜面间距测量装置中因待测镜面反射信号弱而降低 测量范围和测量精度的技术问题，提出一种光学镜组镜面间隙测量装置和测量方法，通过 平衡差分测量的方法，同时利用耦合器的两路输出，去除本底干扰信号，使干涉信号强度增 大一倍。
[0006] 本发明解决现有技术问题采用的技术方案如下：
[0007] -种光学镜组镜面间隙测量装置，为马赫-曾德干涉仪结构，特点在于包括:低相 干光源、激光测长光源、红光指不光源、第一光纤親合器、第二光纤親合器、第三光纤親合 器、第一光纤环形器、第二光纤环形器、延迟扫描臂、第一光纤准直器、电机驱动移动平台、 可移动扫描反射镜、第二光纤准直器、四维调整架、可调焦准直器、测量臂、待测光学镜组、 安装架、光纤后向反射镜、光电探测器、平衡光电探测器和连接光纤;所述的低相干光源的 输出端与第一光纤親合器第一端口相连接，所述的第一光纤环形器的第一端口和所述的第 二光纤环形器的第一端口分别与所述的第一光纤耦合器的第三端口和第四端口相连接;所 述的延迟扫描臂的第一光纤准直器的输入端与所述的第一光纤环形器的第二端口相连接； 所述的光纤后向反射镜的输入端和所述的延迟扫描臂的第二光纤准直器的输入端分别与 所述的第三光纤耦合器的第一端口和第二端口相连接;所述的激光测长光源的输出端和所 述的光电探测器的输入端分别与所述的第三光纤耦合器第三端口和第四端口相连接;所述 的可调焦准直器固定在所述的四维调整架上，所述的指示光源的输出端与所述的可调焦准 直器输入端相连接;所述的第一光纤环形器的第三端口和所述的第二光纤环形器的第三端 口分别与所述的第二光纤耦合器第一端口和第二端口相连接;所述的平衡光电探测器的两 个输入端与所述的第二光纤耦合器第三端口和第四端口相连接。
[0008] 所述的低相干光源为超辐射发光二极管，为宽带光源，中心波长1310nm，相干长度 较短，作为测量系统的干涉测量光源。
[0009] 所述的激光测长光源为分布式反馈激光器，线宽很窄，中心波长1550nm，作为测量 系统的测长定位光源。
[0010] 所述的红光指示光源为激光二极管，发出的红色指示光用以配合待测镜组光轴位 置的调节。
[0011] 所述的第一光纤親合器和第二光纤親合器为工作波长1310nm，分束比为50: 50光 纤耦合器，分别用于低相干光的分束和测量光与扫描反射镜反射光的干涉耦合。
[0012] 所述的第三光纤耦合器为工作波长1550nm，分束比50:50的光纤耦合器，用于测长 激光的分束并输出干涉测长信号。
[0013] 所述的第一光纤环形器和第二光纤环形器为工作波长1310nm，三端口的光纤环形 器，用于将入射光和反射光分离。
[0014] 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。
[0015] 测量装置中低相干光源发出的测量光束经过第一光纤親合器分为两束，一束通过 光纤环形器进入延迟扫描臂中，另一束通过光纤环形器和可调焦准直器进入测量臂中。在 延迟扫描臂中，光束经过第一光纤准直器准直后被可移动扫描反射镜所反射，反射光束通 过光纤环形器进入第二光纤耦合器中。在测量臂中，光束经过可调焦准直器聚焦在待测镜 组的合适位置，各表面的反射光束通过光纤环形器进入第二光纤耦合器中。可移动扫描反 射镜在扫描过程中，当其反射光束与测量臂中待测镜组中某一反射面的反射光束的光程差 为零时，会在第二光纤耦合器中产生干涉极大值，通过光纤耦合器分为相位差为η的干涉信 号输出，经过平衡光电探测器中的差分结构去除直流分量。
[0016] 测量装置中激光测长光源发出的测长光束经过第三光纤耦合器分为两束，一束经 过光纤反射镜反射后返回到光纤耦合器中，另一束经过第二光纤准直器被可移动扫描反射 镜所反射，反射光返回到第三光纤耦合器中，两路反射光在第三光纤耦合器中产生干涉，干 涉信号通过光电探测器所接收。
[0017] 利用上述光学镜组镜面间距测量装置对待测光学镜组光学间距的测量方法，该方 法包括下列步骤：
[0018] ①将待测光学镜组固定在安装架上，将待测光学镜组放置在可调焦准直器后 600mm~900mm之间的某个位置，将红光指示光源通过光纤连接到可调焦准直器的输入端， 打开红光指示光源，通过四维调整架调节可调焦准直器使光束汇聚到待测光学镜组内部， 调节所述的可调焦准直器的光轴指向，使待测光学镜组各表面反射回来的光在所述的可调 焦准直器的镜面成一个点，则待测光学镜组的光轴与可调焦准直器的光轴重合；
[0019] ②关闭红光指示光源，将第二光纤环形器的第二端口的输出光纤与所述的可调焦 准直器的输入端相连接，打开所述的低相干光源和激光测长光源，调节所述的可调焦准直 器，使待测光学镜组的各表面反射光的耦合强度尽可能强；
[0020] ③所述的延迟扫描臂的电机驱动位移平台，带动可移动扫描反射镜进行匀速扫 描，使所述的第三光纤耦合器第四端口输出的激光干涉测长信号输入到光电探测器中，该 光电探测器将激光干涉测长信号转换电信号，使所述的第二光纤耦合器的第三端口和第四 端口输出的低相干测量信号输入到平衡光电探测器中，并通过平衡光电探测器将低相干测 量信号转换电信号，通过数据采集卡同步采集所述的光电探测器和平衡光电探测器输出的 电信号，采集数据输入计算机中；
[0021] ④计算机利用计算程序定位低相干测量信号中待测光学镜组各个表面对应的干 涉峰值位置，并确定干涉峰值采样点的位置，将该采样点位置对应到激光测长干涉信号相 同采样点位置，通过七步相移算法计算出激光测长干涉信号在该采样点的相位值Φη?Μ ~11+3是以第i个干涉峰值采样点位置为中心连续7个激光测长采样点的强度值，其计算公 式为：
[0022]
[0023] 通过相位解包裹算法对计算出的相位值进行展开，则待测透镜组的每个间隙的物 理厚度为：
[0024]
[0025] 式中，h为低相干光波长，λ2为测距激光波长，为空气在光波长心下的群 折射率，以⑷)为所测透镜组中透镜材料在光波长的群折射率，nair(A2)为空气在光波 长入 2下的折射率，Φ 1+1和Φ i分别为低相干光干涉信号相邻峰值位置对应的激光测长信号采 样点解包裹后的相位值。
[0026] 与在先技术相比，本发明具有下列技术优点：
[0027] 1)本发明提出的基于马赫-曾德干涉原理的高精度光学间隔测量装置属于非接触 式测量，能够有效地解决接触式及间接式测量光学间隔所带来的缺点，与迈克尔逊干涉结 构相比，克服了回波干扰对光源本身的影响，测量范围大且精度高，可一次性测量一组光学 系统中多组光学间隔。
[0028] 2)本发明采用马赫-曾德干涉结构，使干涉测量信号分两路输出，且两路信号具有 η的相位差，利用差分测量结构消除直流干扰，提高干涉信号的信噪比，使干涉峰值能够准 确定位。
[0029] 3)本发明采用测长系统与测量系统分离式的设计结构，便于采用不同的测长方 式，除激光测长方式外，还可利用光栅尺信