高精度光學(xué)間隔測量裝置和測量方法
【專利摘要】一種高精度光學(xué)間隔測量裝置和測量方法，裝置包括：短相干光源、激光測長光源、照明指示用光源、第一光纖耦合器、第二光纖耦合器、測量光路、參考鏡光路、延遲掃描光路、波分復(fù)用器、第一光電探測器、第二光電探測器、連接光纖、環(huán)境傳感器。本發(fā)明采用時域光學(xué)相干層析技術(shù)，利用寬帶光源及高精度延遲掃描光路實現(xiàn)光學(xué)元件間隔的非接觸測量，通過共光路激光測長技術(shù)獲取延遲光路的精確位移，采用五步相移干涉條紋包絡(luò)的提取算法以及通過環(huán)境補(bǔ)償，消除測量誤差，提高測量精度，在測量范圍內(nèi)間隔測量精度可達(dá)到亞微米級，同時在光學(xué)儀器裝調(diào)過程中可以實現(xiàn)實時測量，提高測量效率。
【專利說明】高精度光學(xué)間隔測量裝置和測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)測量領(lǐng)域，具體涉及一種非接觸的基于光纖邁克爾遜干涉原理的 測量裝置和測量方法對透鏡中心厚度與透鏡間隔進(jìn)行測量。

【背景技術(shù)】
[0002] 在光學(xué)領(lǐng)域中，透鏡作為組成光學(xué)系統(tǒng)的最基本的光學(xué)元件，其中心厚度的加工 誤差將直接影響到整個光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。在光學(xué)儀器裝調(diào)過程中，光學(xué)元件位置誤 差對整機(jī)光學(xué)裝配質(zhì)量影響較大，也是較難控制的誤差，特別是在光刻機(jī)曝光系統(tǒng)、航測鏡 頭、干涉儀標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、激光諧振腔等高性能精密光學(xué)系統(tǒng)的裝配過程中，對透鏡中心間隔都 有很嚴(yán)格的控制要求，其透鏡中心間隔的一點點偏差都可能導(dǎo)致成像質(zhì)量的劣化。如何解 決光學(xué)元件的位置精度是保證其光學(xué)性能的關(guān)鍵所在。
[0003] 在傳統(tǒng)的光學(xué)測量中，目前大多數(shù)采用百分表或千分表等進(jìn)行接觸式測量或和間 接式純光學(xué)方法進(jìn)行測量。接觸式測量的主要缺點是容易擦毛透鏡表面的增透膜，測量力 易使零件表面損傷，因此測量精度較低。而間接式測量，因需要換算參數(shù)而使其精度降低。 并且，上述兩種方法測量都較難準(zhǔn)確找到透鏡的實際中心，因此測量精度都不高，不適用于 高性能物鏡的裝校。
[0004] 在現(xiàn)有技術(shù)中，"光學(xué)透鏡中心厚度測量系統(tǒng)及方法"（參見中國專利 CN102435146A)中，公開了一套基于光學(xué)共焦法的非接觸透鏡中心厚度測量系統(tǒng)，其測量簡 單快捷，但是其測量范圍小，受到光源中最短波長與最長波長焦點距離的限制，適用于單透 鏡的測量，其精度受到測量范圍及光譜儀光學(xué)分辨率的制約。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提高光學(xué)測量中光學(xué)間隔的測量精度以及效率，并提供一種基 于光纖邁克爾遜干涉原理的高精度光學(xué)間隔測量裝置和方法，采用時域光學(xué)相干層析技 術(shù)，利用寬帶光源及高精度延遲掃描光路實現(xiàn)光學(xué)元件間隔的非接觸測量，通過共光路激 光測長技術(shù)獲取延遲光路的精確位移，采用五步相移干涉條紋包絡(luò)的提取算法以及通過環(huán) 境補(bǔ)償，消除測量誤差，提高測量精度，在測量范圍內(nèi)間隔測量精度可達(dá)到亞微米級，同時 在光學(xué)儀器裝調(diào)過程中可以實現(xiàn)實時測量。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案具體如下：
[0007] -種高精度光學(xué)間隔測量裝置，為雙光纖耦合器結(jié)構(gòu)，具體包括：短相干光源、激 光測長光源、照明指示用光源、第一光纖耦合器、第二光纖耦合器、測量光路、參考鏡光路、 延遲掃描光路、波分復(fù)用器、第一光電探測器、第二光電探測器、連接光纖、環(huán)境傳感器。
[0008] 短相干光源和第二光纖耦合器分別連接在第一光纖耦合器的一側(cè)的兩個端口，激 光測長光源和測量光路分別連接在第一光纖耦合器的另一側(cè)的兩個端口，照明指示用光源 與測量光路連接；參考鏡光路和延遲掃描光路分別連接在第二光纖耦合器的另一側(cè)的兩個 端口，波分復(fù)用器與第二光纖耦合器的一側(cè)的一個端口連接，第一和第二光電探測器分別 與波分復(fù)用器的兩個輸出端口連接。
[0009] 所述的短相干光源為超福射發(fā)光二極管（Superluminescent LED)，為寬帶光源， 具有很小的相干長度，作為裝置的干涉信號測量光源。
[0010] 所述的激光測長光源為分布式反饋激光器（Distributed FeedBack Laser)，具有 非常好的單色性，作為裝置的測長定位光源。
[0011] 所述的照明指示用光源為激光二極管，發(fā)出可見光用以配合待測物光軸位置的調(diào) 節(jié)。
[0012] 所述的測量光路包括四維調(diào)整架、可調(diào)焦光纖聚焦鏡頭、待測物及安裝架。測量光 路通過可調(diào)焦光纖聚焦鏡頭與第一光纖耦合器連接，短相干光源發(fā)出的測量光束經(jīng)過第一 光纖耦合器進(jìn)入測量光路中的可調(diào)焦光纖聚焦鏡頭，經(jīng)過待測物中的各表面所反射，回到 第一光纖耦合器后進(jìn)入第二光纖耦合器。安裝架用于調(diào)整并固定待測物的位置，四維調(diào)整 架對可調(diào)焦光纖聚焦鏡頭進(jìn)行固定并進(jìn)行指向及位置調(diào)節(jié)，保證其光軸與待測物的光軸重 合。可調(diào)焦光纖聚焦鏡頭放置于測量光路的最前端，可以通過調(diào)整可調(diào)焦光纖聚焦鏡頭出 射光束的聚焦位置，保證待測物中各表面反射回來的光束大部分回到可調(diào)焦光纖聚焦鏡頭 中。
[0013] 所述的參考鏡光路包括一個光纖后向反射器，通過連接光纖與第二光纖稱合器相 連，對測量光路中待測物中各表面的反射光束進(jìn)行反射。光纖后向反射器的位置應(yīng)位于對 應(yīng)延遲掃描光路中可移動掃描反射鏡的初始位置（離光纖準(zhǔn)直鏡頭最近的位置），即光纖 后向反射器與延遲掃描光路中可移動掃描反射鏡的初始位置是等光程的。
[0014] 所述的延遲掃描光路包括光纖準(zhǔn)直鏡頭、可移動掃描反射鏡及電機(jī)驅(qū)動移動平 臺。光纖準(zhǔn)直鏡頭放置于延遲掃描光路的最前端，延遲掃描光路通過光纖準(zhǔn)直鏡頭與第二 光纖耦合器連接，短相干測量光束及激光測長光束通過光纖準(zhǔn)直鏡頭準(zhǔn)直后入射到可移動 掃描反射鏡上并反射，回到第二光纖耦合器中?？梢苿訏呙璺瓷溏R安裝在一個電機(jī)驅(qū)動移 動平臺上，測量過程中以一定的速度勻速運動，其位置移動信息通過激光測長光束分別在 參考鏡光路和可移動掃描反射鏡的反射光束所產(chǎn)生的干涉信號測量得到。
[0015] 所述的波分復(fù)用器為1310/1550nm波分復(fù)用器，用于將兩種不同波長的干涉信號 進(jìn)行分離，分為兩路，分別進(jìn)入第一和第二光電探測器。
[0016] 所述的第一、第二光電探測器用于分別接收波長1310nm的短相干測量光束以及 波長1550nm的激光測長光束所產(chǎn)生的干涉信號，并與計算機(jī)連接顯示。
[0017] 所述的連接光纖均為單模保偏光纖，避免由于偏振模色散引起的測量誤差。
[0018] 所述的環(huán)境傳感器分別探測在當(dāng)前環(huán)境下的氣溫、氣壓、相對濕度以及延遲掃描 光路中的內(nèi)部氣溫，應(yīng)用于算法中對折射率計算值的補(bǔ)償，保證間隔測量的精度。
[0019] 利用上述光學(xué)間隔測量裝置對待測物光學(xué)間隔的測量方法，該方法包括下列步 驟：
[0020] ①將照明指示用光源通過光纖連接至測量光路中，將光源打開，通過安裝架固定 待測物，通過調(diào)節(jié)四維調(diào)整架調(diào)節(jié)可調(diào)焦光纖聚焦鏡頭的位置，根據(jù)待測物中各表面反射 回來的光點，調(diào)節(jié)可調(diào)焦光纖聚焦鏡頭的出射光束至待測物）的中心位置，即待測物的光 軸與測量光路中測量光束的的光軸重合；
[0021] ②關(guān)閉照明指示用光源，將連接第一光纖耦合器第④端口的光纖替換照明指示用 光源與測量光路的連接光纖，打開短相干光源和激光測長光源，調(diào)節(jié)測量光路中的可調(diào)焦 光纖聚焦鏡頭，使待測物中各表面反射光的耦合強(qiáng)度盡可能大；
[0022] ③控制所述的延遲掃描光路中的電機(jī)驅(qū)動移動平臺勻速帶動可移動掃描反射鏡 移動，第一光電探測器和第二光電探測器分別將測得的干涉信號輸入計算機(jī)；
[0023] ④計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出待測物的光學(xué)間隔：
[0024] 利用基于移相干涉的五步相移非線性算法進(jìn)行干涉信號的提取，按下式算出每個 采樣點的相位的正切值，

【權(quán)利要求】
1. 一種高精度光學(xué)間隔測量裝置，其特征在于為雙光纖耦合器結(jié)構(gòu)，包括短相干光源 (1)、激光測長光源（2)、照明指示用光源（3)、第一光纖耦合器（4)、第二光纖耦合器（5)、測 量光路（6)、參考鏡光路（7)、延遲掃描光路（8)、波分復(fù)用器（9)、第一光電探測器（10)、第 二光電探測器（11)、連接光纖（12)和環(huán)境傳感器（13)，所述的測量光路（6)包括四維調(diào)整 架（601)、可調(diào)焦光纖聚焦鏡頭￠02)、待測物（603)和安裝架￠04)，所述的可調(diào)焦光纖聚 焦鏡頭（602)置于四維調(diào)整架（601)上，所述的待測物（603)置于安裝架（604)上，所述的 參考鏡光路（7)包括一個光纖后向反射器（701)，所述的延遲掃描光路（8)包括光纖準(zhǔn)直鏡 頭（801)、可移動掃描反射鏡（802)和電機(jī)驅(qū)動移動平臺（803)，所述的可移動掃描反射鏡 (802)置于所述的電機(jī)驅(qū)動移動平臺（803)上，上述元部件的位置關(guān)系如下： 所述的短相干光源（1)的輸出端通過光纖與所述的第一光纖f禹合器（4)第①端口相 連，所述的激光測長光源（2)的輸出端通過光纖與第一光纖耦合器（4)的第③端口相連，所 述的測量光路￠)中的可調(diào)焦光纖聚焦鏡頭（602)通過光纖與所述的第一光纖耦合器（4) 的第④端口相連，在測量開始前要先對所述的測量光路￠)中測量光束與待測物￠03)的 光軸進(jìn)行對準(zhǔn)，此時所述的照明指示用光源（3)通過光纖與所述的測量光路（6)中的可調(diào) 焦光纖聚焦鏡頭（602)相連； 所述的第一光纖耦合器（4)的第②端口經(jīng)光纖與第二光纖耦合器（5)的第①端口相 連，第二光纖耦合器（5)的第③端口經(jīng)光纖與所述的光纖后向反射器（701)相連，第二光纖 耦合器（5)的第④端口的連接光纖的另一端置于所述的延遲掃描光路（8)中的光纖準(zhǔn)直鏡 頭（801)的前焦點，第二光纖稱合器（5)的第②端口經(jīng)光纖與所述的波分復(fù)用器（9)的輸 入端相連，該波分復(fù)用器（9)的兩個輸出端分別與所述的第一光電探測器（10)和第二光電 探測器（11)相連，所述的第一光電探測器（10)和第二光電探測器（11)的輸出端與計算機(jī) 的輸入端相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度光學(xué)間隔測量裝置，其特征在于所述的短相干光源 (1) 為超輻射發(fā)光二極管，中心波長= 1310nm，相干長度為15μπι。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度光學(xué)間隔測量裝置，其特征在于所述的激光測長光源 (2) 為分布式反饋激光器，中心波長λ USEK = 1550nm，-3dB線寬為2MHz。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度光學(xué)間隔測量裝置，其特征在于所述的照明指示用光 源（3)為激光二極管，中心波長λ = 655nm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度光學(xué)間隔測量裝置，其特征在于所述的波分復(fù)用器 (9)為1310/1550nm波分復(fù)用器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度光學(xué)間隔測量裝置，其特征在于所述的第一光電探測 器（10)和第二光電探測器（11)的光譜響應(yīng)范圍為950?1650nm，分別接收波長1310nm的 短相干測量光束及波長1550nm的激光測長光束所產(chǎn)生的干涉信號。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度光學(xué)間隔測量裝置，其特征在于所述的連接光纖（12) 為單模保偏光纖，截止波長為1260nm。
8. 利用權(quán)利要求1所述的光學(xué)間隔測量裝置對待測物光學(xué)間隔的測量方法，其特征在 于該方法包括下列步驟： ①將照明指示用光源（3)通過光纖連接至測量光路（6)中，將光源打開，通過安裝架 (604)固定待測物（603)，通過調(diào)節(jié)四維調(diào)整架（601)調(diào)節(jié)可調(diào)焦光纖聚焦鏡頭（602)的位 置，根據(jù)待測物（603)中各表面反射回來的光點，調(diào)節(jié)可調(diào)焦光纖聚焦鏡頭（602)的出射光 束至待測物￠03)的中心位置，即待測物￠03)的光軸與測量光路￠)中測量光束的的光 軸重合； ② 關(guān)閉照明指示用光源（3)，將連接第一光纖耦合器（4)第④端口的光纖替換照明指 示用光源（3)與測量光路（6)的連接光纖，打開短相干光源（1)和激光測長光源（2)，調(diào)節(jié) 測量光路（6)中的可調(diào)焦光纖聚焦鏡頭￠02)，使待測物（603)中各表面反射光的耦合強(qiáng)度 盡可能大； ③ 控制所述的延遲掃描光路（8)中的電機(jī)驅(qū)動移動平臺（803)勻速帶動可移動掃描反 射鏡（802)移動，第一光電探測器（10)和第二光電探測器（11)分別將測得的干涉信號輸 入計算機(jī)； ④ 計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出待測物￠03)的光學(xué)間隔： 利用基于移相干涉的五步相移非線性算法進(jìn)行干涉信號的提取，按下式算出每個采樣 點的相位的正切值，urn⑷= #·(/2-/4)2-(/|-Μ ； -/ι + 2/.? - h 其中Ip 12、13、14、15分別為五個相鄰米樣點的光強(qiáng)值， 利用edlen公式對空氣的折射率及群折射率進(jìn)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 利用測量光路（6)與延遲掃描光路（8)中光學(xué)群延遲的比較來得出待測物（603)中的 光學(xué)間隔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·與n&aii·分別代表空氣的折射率及群折射率，它們由波長λι或者 λ2、氣溫、 氣壓Ρ以及相對濕度RH所決定，其折射率的計算公式為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)為在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、15°C下空氣中的折射率，σ為真空中的波數(shù)，為波 長λ的倒數(shù)，單位為μπΓ1，（rvP_l)為標(biāo)準(zhǔn)空氣中受到氣溫和氣壓影響的折射率，n t$f為 標(biāo)準(zhǔn)空氣中受到氣溫、氣壓以及水汽分壓影響的折射率，t為氣溫°C，ρ為氣壓Torr，f為 水汽分壓Torr，由rv P，f可以得到折射率及其波長的色散關(guān)系，利用群折射率的公式 《乂)="⑷-.士_2，即可以得出對應(yīng)的群折射率ng air。 〇Α ，
【文檔編號】G01B11/00GK104215176SQ201410472652
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月17日
【發(fā)明者】楊寶喜, 魏張帆, 胡小邦, 李璟, 陳明, 朱菁, 薛佩佩, 黃惠杰 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所