用于光学相干间距测量系统的调焦装置

1.本实用新型涉及光学测量技术领域，特别涉及一种用于光学相干间距测量系统的调焦装置。


背景技术：

2.利用相干光干涉法进行光学间距的非接触测量触式测量具有广泛应用，但这些测试系统普遍存在调试操作困难、复杂等问题，尤其是系统的调焦操作，经常费时费力。例如，专利201810447356.8公开的一种光学表面间距非接触式测量装置和方法，其通过扫频光学相干层析(ssoct)原理进行光学间隔非接触式测量，单次测量深度可达数十毫米，对于大部分的光学系统可以一次探测完成多个光学表面同时测量，配合参考臂移动进行分段式测量实现大量程，且测量精度完全取决于系统轴向分辨率；但该装置在测量多片的镜头时，没有办法准确的将调焦镜头的焦点调整到待测镜面上，进而导致系统在进行复杂的镜头测试时信噪比低，需要多次反复调试才能找到理想的光斑聚焦位置。再如专利201610012510.x公开的光学镜组镜面间隙测量装置和测量方法，其利用低相干光干涉法进行非接触测量，能够实现非接触式光学镜组镜面的厚度及间隙，但其存在系统调焦困难的缺陷。
3.所以，现在有必要提供一种可靠的针对光学相干间距测量系统的调焦方案。


技术实现要素：

4.本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于光学相干间距测量系统的调焦装置。
5.为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种用于光学相干间距测量系统的调焦装置，包括第一反射镜、分光元件、第一聚焦透镜、第一针孔、第一探测器、第二聚焦透镜、第二针孔以及第二探测器；
6.该调焦装置用于对光学相干间距测量系统中的调焦透镜进行调焦，该光学相干间距测量系统出射的光经所述第一反射镜后由所述调焦透镜聚焦至待测样品上，待测样品的反射光由所述调焦透镜收集后，其中，处于光束的中间部分的反射光被所述第一反射镜反射后返回所述光学相干间距测量系统中，其余的处于光束外周部分的反射光从所述第一反射镜的外周通过并进入所述分光元件，然后被分为两部分：第一部分光经过所述第一聚焦透镜后到达所述第一针孔，透过所述第一针孔的光被所述第一探测器接收；第二部分光经过所述第二聚焦透镜后到达所述第二针孔，透过所述第二针孔的光被所述第二探测器接收；
7.其中，所述第一针孔位于所述第一聚焦透镜出射的第一部分光的焦点位置的前端，所述第二针孔位于所述第二聚焦透镜出射的第二部分光的焦点位置的后端，且所述第一针孔和第二针孔的离焦距离相等。
8.优选的是，所述第一反射镜在所述调焦透镜出射的反射光的垂直平面上的投影面积小于所述调焦透镜在该垂直平面上的投影面积，使得所述调焦透镜出射的待测样品的反
射光中会有一部分从所述第一反射镜的外周通过而入射到所述分光元件上。
9.优选的是，所述分光元件为分光镜或分光棱镜。
10.优选的是，所述光学相干间距测量系统包括扫频光源、第一耦合器、第一环形器、参考臂、第二环形器、第二耦合器、平衡探测器以及样品臂，所述样品臂包括样品光准直器以及所述调焦透镜；
11.所述扫频光源发出的光经过所述第一耦合器后分为两部分：参考光和样品光，其中的参考光经过所述第一环形器后进入所述参考臂，然后被反射返回所述第一环形器，之后再进入所述第二耦合器；
12.其中的样品光经过所述第二环形器后被所述样品光准直器准直为平行光束输出至所述第一反射镜，被反射后由所述调焦透镜聚焦至待测样品上，待测样品的反射光中被所述第一反射镜反射的部分，再返回所述样品光准直器，然后经过所述第二环形器后进入所述第二耦合器，与到达该处的参考光路的返回光进行叠加干涉，最后被所述平衡探测器接收。
13.优选的是，所述参考臂包括参考光准直器、后向反射镜、第三聚焦透镜以及第二反射镜，进入所述参考臂的参考光经所述参考光准直器准直为平行光束后被所述后向反射镜反射，然后经所述第三聚焦透镜聚焦至所述第二反射镜，参考光被所述第二反射镜反射后沿原路返回至所述第一环形器。
14.优选的是，所述参考臂还包括用于带动所述后向反射镜移动的平移台。
15.本实用新型的有益效果是：本实用新型针对光学相干间距测量系统提供了一种可靠的调焦装置，本实用新型将光学相干间距测量系统中不能进入样品准直器的光能利用起来进行系统自身的调焦，通过第一探测器和第二探测器的探测信号的比较能够实现快速调焦，操作简便，且提高了光学相干间距测量系统能量的利用率。
附图说明
16.图1为本实用新型的用于光学相干间距测量系统的调焦装置的结构示意图。
17.附图标记说明：
18.1—调焦装置；10—第一反射镜；11—分光元件；12—第一聚焦透镜；13—第一针孔；14—第一探测器；15—第二聚焦透镜；16—第二针孔；17—第二探测器；
19.20—扫频光源；21—第一耦合器；22—第一环形器；23—参考臂；24—第二环形器；25—第二耦合器；26—平衡探测器；27—样品臂；230—参考光准直器；231—后向反射镜；232—第三聚焦透镜；233—第二反射镜；234—平移台；270—样品光准直器；271—调焦透镜；
20.3—待测样品；
具体实施方式
21.下面结合实施例对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
22.应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
23.实施例1
24.本实施例提供一种调焦装置1，包括第一反射镜10、分光元件11、第一聚焦透镜12、第一针孔13、第一探测器14、第二聚焦透镜15、第二针孔16以及第二探测器17。其中，第一针孔13位于第一聚焦透镜12出射的第一部分光的焦点位置的前端，第二针孔16位于第二聚焦透镜15出射的第二部分光的焦点位置的后端，第一针孔13和第二针孔16的离焦距离相等。
25.本实施例中，分光元件11为分光镜或分光棱镜。
26.该调焦装置1用于对光学相干间距测量系统中的调焦透镜271进行调焦，该光学相干间距测量系统包括扫频光源20、第一耦合器21、第一环形器22、参考臂23、第二环形器24、第二耦合器25、平衡探测器26以及样品臂27，样品臂27包括样品光准直器270以及调焦透镜271；
27.扫频光源20发出的光经过第一耦合器21后分为两部分：参考光和样品光，其中的参考光经过第一环形器22后进入参考臂23，然后被反射返回第一环形器22，之后再进入第二耦合器25；
28.其中的样品光经过第二环形器24后被样品光准直器270准直为平行光束输出至第一反射镜10，被反射后由调焦透镜271聚焦至待测样品3上，待测样品3的反射光由调焦透镜271收集后，其中，处于光束的中间部分的反射光被第一反射镜10反射后返回至样品光准直器270，然后经过第二环形器24后进入第二耦合器25，与到达该处的参考光路的返回光进行叠加干涉，最后被平衡探测器26接收；其中，另外的处于光束外周部分的反射光从第一反射镜10的外周通过并进入分光元件11，然后被分为两部分：第一部分光经过第一聚焦透镜12后到达第一针孔13，透过第一针孔13的光被第一探测器14接收；第二部分光经过第二聚焦透镜15后到达第二针孔16，透过第二针孔16的光被第二探测器17接收。
29.本实用新型的调焦装置1采用了差动共焦的原理来对调焦透镜271进行调焦，根据第一探测器14和第二探测器17接收到的光信号的信号差来调整调焦透镜271的焦距，实现对光学相干间距测量系统在测量过程中的定焦，能够达到快速定焦的效果。
30.其中，需要理解的是，差动共焦的原理为现有技术，本实用新型并未对差动共焦的原理进行方法上的改进，本实用新型的目的是将差动共焦应用于光学相干间距测量系统的定焦，为便于理解，以下结合图1，对差动共焦的原理进行进一步说明。光学相干间距测量系统主要用于光学元件的间距测量，如光学镜片，以下以光学镜片为待测样品3进行说明。
31.本实施例的调焦装置1中，第一针孔13位于第一聚焦透镜12出射的第一部分光的焦点位置的前端(例如离焦距离为+k)，第二针孔16位于第二聚焦透镜15出射的第二部分光的焦点位置的后端(离焦距离为-k)，第一针孔13和第二针孔16的离焦距离相等，通过对两路探测器的信号求差值，得到聚焦误差信号，形成差动式双探测器探测。当待测的光学镜片的表面位于调焦透镜271的焦平面(物方焦平面)后方一个微小距离时，镜片表面的反射光通过元件后分为两路，分别汇聚于两路光的像方焦平面(第一聚焦透镜12和第二聚焦透镜15的焦平面)前方，汇聚点距离第一探测器14位置较近，此时第一探测器14探测到的信号强；当镜片表面位于调焦透镜271的焦平面(物方焦平面)的前方一个微小距离时，待测样品3的反射光通过元件后分为两路，分别汇聚于两路光的像方焦平面(第一聚焦透镜12和第二聚焦透镜15的焦平面)后方，汇聚点距离第二探测器17较近，此时第二探测器17探测到的信号强。当镜片表面位于物方焦平面处时，根据光轴上焦点附近光强关于几何焦点对称分布
的特性，第一探测器14和第二探测器17的探测信号的差值为零。这样就可以根据两个探测器上的探测信号大小比较来反映镜片表面距离调焦透镜271的焦平面的位置，从而能够实现调焦透镜271的定焦。例如，当第一探测器14探测到的信号强、第二探测器17探测到的信号弱时，则需要调节使得调焦透镜271的焦平面朝向镜片表面位置移动，当第二探测器17探测到的信号强、第一探测器14探测到的信号弱时，则需要调节使得调焦透镜271的焦平面背向镜片表面位置移动，当第一探测器14和第二探测器17的探测信号的差值为零时，说明镜片表面正好处于调焦透镜271的焦平面上。
32.其中，调焦透镜271可采用液体变焦透镜、机械位移透镜或者机械位移透镜组。调焦透镜271将入射的平行光聚焦，且通过位移调焦改变聚焦的焦点深度，使得聚焦的焦点能移动到样品的不同深度位置。
33.本实施例中，参考臂23包括参考光准直器230、后向反射镜231、第三聚焦透镜232以及第二反射镜233，进入参考臂23的参考光经参考光准直器230准直为平行光束后被后向反射镜231反射，然后经第三聚焦透镜232聚焦至第二反射镜233，参考光被第二反射镜233反射后沿原路返回至第一环形器22。
34.本实施例中，第一反射镜10在调焦透镜271出射的反射光的垂直平面上的投影面积小于调焦透镜271在该垂直平面上的投影面积，使得调焦透镜271出射的待测样品3的反射光中会有一部分从第一反射镜10的外周通过而入射到分光元件11上。
35.本实用新型是基于差动共焦原理，通过调焦装置1将光学相干间距测量系统中不能进入样品准直器的光能利用起来进行光学相干间距测量系统的调焦，通过第一探测器14和第二探测器17的探测信号的比较能够实现快速调焦，且提高了光学相干间距测量系统能量的利用率。
36.其中，由于样品光路采集的后向反射光效率低，第一耦合器21可采用8：2(或者9：1)分光，将8成光分配进入样品光路，2成进入参考光路，以增强样品光路的信号强度。
37.其中，第一探测器14和第二探测器17用于探测光强信号，采用常规产品即可，本实用新型中不做具体限定。
38.在一种可选的实施例中，参考臂23还包括用于带动后向反射镜231移动的平移台234。
39.需要理解的是，其中的各光学元件均采用常规产品即可。
40.尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节。