一种光学系统轴向参数测量装置及方法与流程

本发明涉及光学测量领域，特别是涉及一种光学系统轴向参数测量装置及方法。

背景技术：

对应光学系统轴向参数的测量，现有技术中一般采用以下两种系统：一种系统记载于"highstabilitymultiplexedfibreinterferometeranditsapplicationonabsolutedisplacementmeasurementandon-linesurfacemetrology”，opticsexpress,vol.12，issue23,2004,p.5729-5734.(opticsexpress(光学特快)，2004年，第12卷，第23期，p.5729-5734)中，此系统包含两个光路几乎重合的迈克尔逊干涉仪。半导体激光器发出波长为λ0的光经过一个迈克尔逊干涉仪后被探测器探测，此探测器探测到的信号经过伺服电路处理后驱动压电陶瓷管调节光纤干涉仪的参考臂的长度，实现稳定该干涉仪的目的，可调谐激光器发出的波长λm可变的光经过另一个迈克尔逊干涉仪后被探测器探测，再经过相位分析即测量出测量镜的位移。利用测量镜和参考镜作为反射镜的构成，用于完成测量工作。另一种系统将一个光纤干涉仪(传感光纤干涉仪)ml置于被测场感应被测位移，用另一个与传感光纤干涉仪ml串联的光纤干涉仪(解调光纤干涉仪)m2解调位移的值，从而对位移实现远程测量。基于波分复用技术，利用光纤光栅反射满足布拉格条件的波长的光，使解调光纤干涉仪m2同时工作在低相干干涉和高相干干涉状态，利用低相干干涉信号决定位移的幅值，使测量量程不受光波波长限制，并实现绝对测量，利用高相干干涉信号测量位移的值，并利用反馈控制抑制环境干扰对解调光纤干涉仪m2的影响，实现高精度测量。

但是，以上两个系统均存在测量量程受限的问题，第一种系统中量程受入射光波波长入的限制，且不能进行绝对测量；第二种系统中量程受到一维台的行程限制。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种光学系统轴向参数测量装置及方法，具有测量范围大、信噪比高、测量快速准确的特点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种光学系统轴向参数测量装置，所述装置包括：

低相干测量单元，所述低相干测量单元用于产生低相干干涉波；所述低相干测量单元包括低相干光源，所述低相干光源发出低相干测量光和低相干参考光，所述低相干干涉波为所述低相干测量光经过被测光学系统反射后的光与所述低相干参考光干涉形成的光波；

高相干标尺单元，所述高相干标尺单元用于产生高相干干涉波；所述高相干标尺单元包括高相干光源，所述高相干光源发出高相干测量光和高相干参考光，所述高相干测量光和高相干参考光发生干涉，形成高相干干涉波；

扫描单元，所述低相干参考光和所述高相干测量光均经过所述扫描单元，所述扫描单元用于为所述低相干干涉波和所述高相干干涉波提供同一光学延时线；

量程倍增单元，所述量程倍增单元用于采集所述低相干测量单元产生的所述低相干干涉波以及扩大测量量程的范围；

信号处理单元，所述信号处理单元用于以所述高相干干涉波为参考基准，对量程倍增单元采集到的所述低相干干涉波进行分析处理，得到光学系统各介质分界面之间的轴向距离；

所述低相干测量单元与所述量程倍增单元相连接，所述信号处理单元分别与所述量程倍增单元、所述高相干标尺单元相连接。

可选的，所述低相干测量单元还包括第一耦合器、第一偏振控制器、第一光环形器、第一准直器、第二偏振控制器、第二光环形器、波分复用器、第二准直器；

所述低相干测量光经由第一偏振控制器、第一光环形器、第一准直器后依次入射到被测光学系统的各介质分界面上，经各介质分界面反射后依次经过所述第一光环形器、所述第一光纤分路器，依次到达所述量程倍增单元；所述低相干测量光经过所述第一光纤分路器后得到的多路低相干测量光；

所述低相干参考光经由第二偏振控制器、第二光环形器、波分复用器、第二准直器、所述扫描单元的扫描镜，垂直入射到所述扫描单元的反射镜，经所述扫描单元的反射镜反射后返回到达所述第二光环形器，经所述第二光环形器、第二光纤分路器到达所述量程倍增单元；所述低相干参考光经过所述第二光纤分路器后得到的多路低相干参考光，相邻光路中的低相干参考光的光程成等差数列；

所述低相干测量光经过所述第一光纤分路器后得到的多路低相干测量光与所述低相干参考光经过所述第一光纤分路器后得到的多路低相干测量光在所述量程倍增单元发生干涉，得到所述低相干干涉波。

可选的，所述量程倍增单元包括多个耦合器、与各所述耦合器一一对应的探测器对，所述低相干测量光和所述低相干参考光在所述量程倍增单元的所述耦合器处发生干涉，得到所述低相干干涉波；所述探测器对对所述耦合器输出的所述低相干干涉波进行探测，所述低相干干涉波包括低相干反射干涉波和低相干透射干涉波。

可选的，所述探测器对包括两个探测器，两个所述探测器分别用于对所述低相干反射干涉波和所述低相干透射干涉波进行探测。

可选的，所述高相干标尺单元包括高相干光源、第三耦合器、第四耦合器、第四耦合器、第三光环形器、第四光环形器和端面镀反射膜的光纤；

所述高相干光源发出的光经过所述第三耦合器后分成高相干参考光和高相干测量光，所述高相干参考光经由所述第三光环形器、端面镀反射膜的光纤、所述第三光环形器后到达所述第四耦合器，所述高相干测量光经由第四光环形器、波分复用器、第二准直器、所述扫描单元的扫描镜、垂直入射到所述扫描单元的反射镜，经扫描单元的反射镜反射后原路返回到达所述第四光环形器，经所述第四光环形器后到达所述第四耦合器；

入射到所述第四耦合器的所述高相干参考光和高相干测量光发生干涉，得到高相干干涉波，所述高相干干涉波包括高相干反射干涉波和高相干透射干涉波。

可选的，所述高相干标尺单元还包括两个探测器，两个所述探测器分别用于对所述第四耦合器输出的所述高相干反射干涉波和所述高相干透射干涉波进行探测。

可选的，各光学器件之间的均采用光纤或光纤器件相连接。

本发明还提供了一种光学系统轴向参数测量方法，所述方法应用于本发明提供的光学系统轴向参数测量装置，所述方法包括：

闭合光学系统轴向参数测量装置的总电源，点亮高相干光源、低相干光源；

前后移动被测光学系统，当被测光学系统第一个介质分界面的干涉峰出现在量程倍频单元中的第一组探测器上时，固定被测光学系统；

量程倍增单元中各组探测器接收被测光学系统各分界面处的低相干干涉信号；

信号处理单元采用微分过零法提取所述低相干干涉信号的极大值点，获取被测光学系统各分界面位置信息，并根据信号处理单元显示的干涉波图形，以高相干标尺单元产生的高相干干涉波为参考计算被测光学系统各分界面之间的距离，所述干涉波图形包括低相干干涉波图形和高相干干涉波图形。

可选的，所述根据信号处理单元显示的干涉波图形，以高相干标尺单元产生的高相干干涉波为参考计算被测光学系统各分界面之间的距离，具体包括：

当相邻两个介质分界面对应的低相干干涉信号处在同一个探测器上时，利用公式计算相邻两个介质分界面的轴向距离，其中，d为相邻两个介质分界面的轴向距离；n为干涉波图形中相邻两个介质分界面对应的低相干干涉信号的最大值之间包含高相干干涉信号周期的个数，λ为高相干光源发出光的波长；

当相邻两个介质分界面对应的低相干干涉信号不在同一个探测器上时，利用公式计算相邻两个介质分界面的轴向距离，其中，d为相邻两个介质分界面的轴向距离；nm为干涉波图形中前一介质分界面对应的低相干干涉信号的最大值与高相干干涉信号起始值之间包含高相干涉信号周期的个数；nn为干涉波图形中后一介质分界面对应的低相干干涉信号的最大值与高相干涉信号起始值之间包含高相干干涉信号周期的个数；lm、ln分别为前一介质分界面和后一介质分界面所对应的低相干参考光路的光程；λ为高相干光源发出光的波长。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的测量光学系统轴向参数的装置及方法，设置了低相干测量单元、高相干标尺单元、扫描单元、量程倍增单元和信号处理单元，所述低相干测量单元用于产生低相干干涉波，所述高相干标尺单元用于产生高相干干涉波，所述低相干参考光和所述高相干测量光均经过所述扫描单元，使所述低相干干涉波和所述高相干干涉波提供同一光学延时线，通过设置所述量程倍增单元增加了装置的测量范围，信号处理单元，所述信号处理单元用于以所述高相干干涉波为参考基准，对量程倍增单元采集到的所述低相干干涉波进行分析处理，得到光学系统各介质分界面之间的轴向距离，此外，本发明提供的装置中采用的探测器为差分探测器，提高了测量信号的信噪比，能够实现对信号准确的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例光学系统轴向参数的测量装置的原理图；

图2为本发明实施例高相干标尺单元产生的高相干干涉波形图；

图3为本发明实施例低相干测量单元产生的低相干干涉波形图；

图4为本发明实施例被测光学系统相邻分界面在相同探测器上时的测量示意图；

图5为本发明实施例被测光学系统相邻分界面位置在不同探测器上时一分界面位置的测量示意图；

图6为本发明实施例被测光学系统相邻分界面位置在不同探测器上时另一分界面位置的测量示意图；

图7为本发明实施例量程倍增单元中等差光纤光程差的标定图；

图8为本发明实施例光学系统轴向参数的测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种光学系统轴向参数测量装置及方法，具有测量范围大、信噪比高、测量快速准确的特点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例光学系统轴向参数的测量装置的原理图，如图1所示，本发明提供的光学系统轴向参数测量装置包括：

低相干测量单元1，所述低相干测量单元1用于产生低相干干涉波；所述低相干测量单元1包括低相干光源101，所述低相干光源101发出低相干测量光和低相干参考光，所述低相干干涉波为所述低相干测量光经过被测光学系统106反射后的光与所述低相干参考光干涉形成的光波；低相干光源发出的光为光谱的宽度较宽，相干长度很短的光，近似于复合色光，不是单一色光；

高相干标尺单元2，所述高相干标尺单元2用于产生高相干干涉波；所述高相干标尺单元2包括高相干光源201，所述高相干光源201发出高相干测量光和高相干参考光，所述高相干测量光和高相干参考光发生干涉，形成高相干干涉波；高相干光源发出的光为光谱的宽度较窄，相干长度很长的单一色光。

扫描单元3，所述低相干参考光和所述高相干测量光均经过所述扫描单元3，所述扫描单元3用于为所述低相干干涉波和所述高相干干涉波提供同一光学延时线；

量程倍增单元4，所述量程倍增单元4用于采集所述低相干测量单元1产生的所述低相干干涉波以及扩大测量量程的范围；

信号处理单元5，所述信号处理单元5用于以所述高相干干涉波为参考基准，对量程倍增单元4采集到的所述低相干干涉波进行分析处理，得到被测光学系统106各介质分界面之间的轴向距离；

所述低相干测量单元1与所述量程倍增单元4相连接，所述信号处理单元5分别与所述量程倍增单元4、所述高相干标尺单元2相连接。

所述低相干测量单元1还包括第一耦合器102、第一偏振控制器103、第一光环形器104、第一准直器105、第二偏振控制器107、第二光环形器108、波分复用器109、第二准直器110；

所述低相干测量光经由第一偏振控制器103、第一光环形器104、第一准直105器后依次入射到被测光学系统106的各介质分界面上，经各介质分界面反射后依次经过所述第一光环形器104、所述第一光纤分路器401，到达所述量程倍增单元4；所述低相干测量光经过所述第一光纤分路器401后得到的多路低相干测量光；

所述低相干参考光经由第二偏振控制器107、第二光环形器108、波分复用器109、第二准直器110、所述扫描单元3的扫描镜301，垂直入射到所述扫描单元3的反射镜302，经所述扫描单元3的反射镜302反射后返回到达所述第二光环形器108，经所述第二光环形器108、第二光纤分路器402到达所述量程倍增单元4；所述低相干参考光经过所述第二光纤分路器402后得到的多路低相干参考光，相邻光路中的低相干参考光的光程成等差数列；

所述量程倍增单元4包括多个耦合器403、406、409、412、与各所述耦合器一一对应的探测器对，耦合器403对应探测器404、探测器405，耦合器406对应探测器407、探测器408，耦合器409对应探测器410、探测器411，耦合器412对应探测器413、探测器414，所述低相干测量光经过所述第一光纤分路器401后得到的多路低相干测量光与所述低相干参考光经过所述第二光纤分路器402后得到的多路低相干参考光在所述量程倍增单元的所述耦合器处分别一一对应发生干涉，得到所述低相干干涉波；所述探测器对对所述耦合器输出的所述低相干干涉波进行探测，所述低相干干涉波包括低相干反射干涉波和低相干透射干涉波。

所述探测器对包括两个探测器，两个所述探测器分别用于对所述低相干反射干涉波和所述低相干透射干涉波进行探测。两个所述探测器接收到的信号位相相差180°。

所述高相干标尺单元2包括高相干光源201、第三耦合器、第四耦合器、第四耦合器、第三光环形器、第四光环形器和端面镀反射膜的光纤；

所述高相干光源201发出的光经过所述第三耦合器202后分成高相干参考光和高相干测量光，所述高相干参考光经由所述第三光环形器203、端面镀反射膜的光纤204、所述第三光环形器203后到达所述第四耦合器205，所述高相干测量光经由第四光环形器206、波分复用器109、第二准直器110、所述扫描单元3的扫描镜301、垂直入射到所述扫描单元3的反射镜302，经扫描单元3的反射镜302反射后原路返回到达所述第四光环形器206，经所述第四光环形器206后到达所述第四耦合器205；

入射到所述第四耦合器205的所述高相干参考光和高相干测量光发生干涉，得到高相干干涉波，所述高相干干涉波包括高相干反射干涉波和高相干透射干涉波。

所述高相干标尺单元2还包括两个探测器207、208，两个所述探测器分别用于对所述第四耦合器205输出的所述高相干反射干涉波和所述高相干透射干涉波进行探测高相干干涉波的透射波和反射波进行探测。两个所述探测器接收到的信号位相相差180°。

各光学器件之间的均采用光纤或光纤器件相连接。

本发明还提供了一种光学系统轴向参数测量方法，所述方法应用于本发明提供的光学系统轴向参数测量装置，如图8所示，该方法包括：

步骤801：闭合光学系统轴向参数测量装置的总电源，点亮高相干光源、低相干光源；

步骤802：前后移动被测光学系统，当被测光学系统第一个介质分界面的干涉峰出现在量程倍频单元中的第一组探测器上时，固定被测光学系统；

步骤803：量程倍增单元中各组探测器接收被测光学系统各分界面处的低相干干涉信号；

步骤804：信号处理单元采用微分过零法提取所述低相干干涉信号的极大值点，获取被测光学系统各分界面位置信息，并根据信号处理单元显示的干涉波图形，以高相干标尺单元产生的高相干干涉波为参考计算被测光学系统各分界面之间的距离，所述干涉波图形包括低相干干涉波图形和高相干干涉波图形。

其中，步骤804具体包括：

当相邻两个介质分界面对应的低相干干涉信号处在同一个探测器上时，如图4所示，利用公式计算相邻两个介质分界面的轴向距离，其中，d为相邻两个介质分界面的轴向距离；n为干涉波图形中相邻两个介质分界面对应的低相干干涉信号的最大值之间包含高相干干涉信号周期的个数，λ为高相干光源发出光的波长；

当相邻两个介质分界面对应的低相干干涉信号不在同一个探测器上时，如图5、6所示，利用公式计算相邻两个介质分界面的轴向距离，其中，d为相邻两个介质分界面的轴向距离；nm为干涉波图形中前一介质分界面对应的低相干干涉信号的最大值与高相干干涉信号起始值之间包含高相干涉信号周期的个数；nn为干涉波图形中后一介质分界面对应的低相干干涉信号的最大值与高相干涉信号起始值之间包含高相干干涉信号周期的个数；lm、ln分别为前一介质分界面和后一介质分界面所对应的低相干参考光路的光程；λ为高相干光源发出光的波长。

本发明提供的测量光学系统轴向参数的装置及方法，设置了低相干测量单元、高相干标尺单元、扫描单元、量程倍增单元和信号处理单元，所述低相干测量单元用于产生低相干干涉波，所述高相干标尺单元用于产生高相干干涉波，所述低相干参考光和所述高相干测量光均经过所述扫描单元，使所述低相干干涉波和所述高相干干涉波提供同一光学延时线，通过设置所述量程倍增单元增加了装置的测量范围，信号处理单元，所述信号处理单元用于以所述高相干干涉波为参考基准，对量程倍增单元采集到的所述低相干干涉波进行分析处理，得到光学系统各介质分界面之间的轴向距离，此外，本发明提供的装置中采用的探测器为差分探测器，提高了测量信号的信噪比，能够实现对信号准确的测量。

作为本发明的又一实施例，本发明提供的光学系统轴向参数测量装置，由低相干光源、高相干光源、7个耦合器、4个光环行器、1个波分复用器、2个准直器、2个偏振控制器、1个反射镜、9个探测器、1个一维平移台、1个中空直角扫描镜，2个光纤分束器、信号及数据处理单元组成。本测量装置包含两个马赫一泽德型光纤干涉仪(高相干标尺单元和低相干测量单元)，其中一个光纤干涉仪(低相干测量单元)感应被测光学系统分界面位置，另一个光纤干涉仪(高相干标尺单元)用于解调相邻两分界面之间距离值。利用共用的扫描单元，使系统的低相干干涉和高相干干涉状态协同一致。

高相干光源201发出的光经过第三耦合器202后分被分成两路光，一路光经由第三光环形器203、端面镀反射膜的光纤204、第三光环形器203后到达第四耦合器205，另一路光经由第四光环形器206、波分复用器109、第二准直器110、扫描镜301、垂直如射到反射镜302，经反射镜302反射后原路返回到达第四光环形器206，经第四光环形器206后到达第四耦合器205，两路光在第四耦合器205处相遇，并发生干涉，干涉信号由探测器207、探测器208接收(探测器207、探测器208接收到的干涉信号相位相差180°)，此干涉信号可表示为:

i1＝i0(1+mcos(k1δz))(1)

式中，i0为高相干干涉信号的直流分量，m为干涉条纹的可见度，k1为高相干光源发出光的波数，δz为高相干参考光路与高相干测量光路的光程差。干涉信号的波形如图2所示。

低相干光源101发出的光经过第一耦合器102后分被分成两路光，一路经由第一偏振控制器103、第一光环形器104、第一准直器105后依次入射到被测光学系统106各介质分界面上，经各介质分界面反射后到达第一光环形器104，经第一光环形器104、第一光纤分路器401依次到达耦合器403、耦合器406、耦合器409、耦合器412中，另一路光经由第二偏振控制器107、第二光环形器108、波分复用器109、第二准直器110、扫描镜301，垂直如射到反射镜302，经反射镜302反射后原路返回到达第二光环形器108，经第二光环形器108、光纤分路器402依次到达耦合器403、耦合器406、耦合器409、耦合器412中，两路光在耦合器403、耦合器406、耦合器409、耦合器412处相遇，并发生干涉，干涉信号由探测器404、探测器405、探测器407、探测器408、探测器410、探测器411、探测器413、探测器414接收(每对探测器接收到的干涉信号相位相差180°)，当两路光的光程差小于低相干光源的相干长度时，探测器接收到的是低相干干涉信号，此信号可表示为:

式中，i00为低相干干涉信号的直流分量，lc为干涉长度，k为低相干光源发出光的波数，δz为低相干测量光路与低相干参考光路的光程差。从(2)式可知，δz的变化可同时引起干涉条纹可见度及干涉信号相位变化。当δz＝0时，i2将取最大值，干涉波形如图3所示。

当相邻两个介质分界面位置干涉信号处在同一个探测器上时，如图4所示，两个介质分界面的轴向距离为：

式中：d-为两个介质分界面的轴向距离；

n-两个介质分界面位置干涉信号的最大值中包含高相干标尺单元干涉信号周期的个数；

λ-为高相干光源发出光的波长。

当相邻两个介质分界面位置干涉信号不处在同一个探测器上时，如图5、图6所示，两个介质分界面的轴向距离为：

式中：d-为两个介质分界面的轴向距离；

nm-为前一介质分界面位置干涉信号的最大值与高相干标尺单元干涉信号起始值之间包含高相干标尺单元干涉信号周期的个数，如图5所示；

nn-为后一介质分界面位置干涉信号的最大值与高相干标尺单元干涉信号起始值之间包含高相干标尺单元干涉信号周期的个数，如图6所示；

lmln-为分别与探测器相对应的低相干参考光路的光程；

λ-为高相干光源发出光的波长。

等差光纤光程差的标定：

量程倍增单元中等差光纤光程差设计值为高相干光源的相干长度，扫描镜的扫描导轨的长度略大于高相干光源的相干长度，测量原理如图7所示。

δln+2-δln+1＝δln+1-δln1＝s(5)

式中：s为高相干光源的相干长度，导轨的扫描长度为s'>s。

所以当被测物体处于下列位置时:

δln+s＜l＜δln+s′(6)

在扫描镜的整个移动过程中，首先是对应第n+1组光纤组出现干涉条纹，

继续移动，对应第n组光纤组也出现干涉条纹。

设这两个时刻位置干涉信号的最大值与高相干标尺单元干涉信号起始值的距离分别是sn+1和sn，则有:

δln+1＝δln+2(sn-sn+1)(7)

公式(7)可由第n组光纤组长度求取第n+1组光纤组长度，第一组光纤组可以通过低相干定位干涉信号与高相干标尺单元干涉信号直接得到。

本发明提供的测量光学系统轴向参数的装置及方法，设置了低相干测量单元、高相干标尺单元、扫描单元、量程倍增单元和信号处理单元，所述低相干测量单元用于产生低相干干涉波，所述高相干标尺单元用于产生高相干干涉波，所述低相干参考光和所述高相干测量光均经过所述扫描单元，使所述低相干干涉波和所述高相干干涉波提供同一光学延时线，通过设置所述量程倍增单元增加了装置的测量范围，信号处理单元，所述信号处理单元用于以所述高相干干涉波为参考基准，对量程倍增单元采集到的所述低相干干涉波进行分析处理，得到光学系统各介质分界面之间的轴向距离，此外，本发明提供的装置中采用的探测器为差分探测器，提高了测量信号的信噪比，能够实现对信号准确的测量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。