CN102288105A - 一种光纤点衍射干涉仪的结构及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤点衍射干涉仪的结构及其检测方法，所述的结构至少包括激光器、分光镜、测量光耦合透镜、参考光耦合透镜、测量光纤、参考光纤、被测元件及其调整机构、电荷耦合器件成像系统和图像分析计算机；所述的激光器发出的光入射到分光镜，将光分成两束，一束光经测量光耦合透镜耦合到测量光纤中，另一束光经参考光耦合透镜耦合到参考光纤中，两束光重叠后发生干涉，在电荷耦合器件成像系统的成像面上产生干涉条纹，用图像分析计算机分析干涉条纹，得到被测元件被测面的面形状况。本发明利用两根光纤纤芯衍射产生标准圆形的球面波作为理想的球面波光源，分别作为参考球面波和测量球面波。本发明光纤制作容易，成本较低。

Description

一种光纤点衍射干涉仪的结构及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种光学面形检测的技术和装置，特别是使用光纤产生标准球面波的点衍射干涉技术和干涉仪，用于高精度光学元件面形的检测和光学系统波面的检测领域。

背景技术

随着光学技术和工艺的不断发展，对光学元件的精度要求越来越高，甚至要求达到光学衍射极限分辨率。而光学元件的加工精度主要受限于干涉计量技术中的干涉标准镜本身的精度。高精度的干涉仪的干涉标准镜很难加工和装配，成本很高。用点衍射产生标准球面波的技术(美国专利6,344,898)提供了一种简单的低成本的解决办法。

点光源产生的球面波代替标准镜产生的标准波面，这种方法关键是制作足够小的圆形小孔，以便使通过小孔的光波可以看成是理想的球面波，并且要求小孔具有足够的透光率，以使球面波具有一定的强度能产生干涉像。

在现有技术中，如中国专利ZL 03115412.3《检测表面形状的点衍射干涉仪》和ZL 200710172257.5《点衍射干涉仪》等大多采用刻蚀方法制作一个掩膜板小孔产生球面波，将球面波的一部分作为参考波面，另一部分作为测量波面。

上述现有技术中存在的缺点是：

1、由于采用刻蚀等方法很难制作理想的圆形掩膜板小孔，因而小孔衍射出的光波可能导致球面波不够理想。

2、一个掩膜板小孔产生球面波本身因小孔太小，能量就不大，还要分成参考波面和测量波面两个部分，当检测圆形面时，相当于在一个大圆中截出两个小圆，会造成很大的能量浪费，影响干涉像的产生。

3、因小孔衍射出的标准球面波和测量球面波空间位置靠得很近，还要考虑到干涉成像，因而总体结构受空间限制，检测时调整和操作不方便。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种衍射出的球面波是标准圆形、球面波能量损耗小、检测时调整和操作方便的光纤点衍射干涉仪的结构及其检测方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种光纤点衍射干涉仪的结构，至少包括激光器、分光镜、测量光耦合透镜、参考光耦合透镜、测量光纤、参考光纤、被测元件及其调整机构、电荷耦合器件成像系统和图像分析计算机；所述的激光器发出的光入射到分光镜，将光分成两束，一束光经测量光耦合透镜耦合到测量光纤中，另一束光经参考光耦合透镜耦合到参考光纤中，从参考光纤出射端面出射的标准球面波作为参考光波，从测量光纤出射端面出射的标准球面波作为测量光波射到被测元件的被测面上、再反射到参考光纤出射端面上、与参考光波重叠后发生干涉，在电荷耦合器件成像系统的成像面上产生干涉条纹，用图像分析计算机分析干涉条纹，得到被测元件被测面的面形状况；

所述的分光镜的分光比满足测量光纤输出光到达电荷耦合器件成像系统的光强与参考光纤输出光到达电荷耦合器件成像系统的光强相当的条件；

所述的测量光耦合透镜的数值孔径与测量光纤的数值孔径相匹配；所述的参考光耦合透镜的数值孔径与参考光纤的数值孔径相匹配；

所述的测量光纤和参考光纤都是单模光纤；

参考光纤出射端面镀半反半透膜；

所述的测量光纤出射端面、参考光纤出射端面、被测元件和电荷耦合器件成像系统形成对角排布，所述的测量光纤出射端面与被测元件对角排布，参考光纤端面与电荷耦合器件成像系统对角排布；

所述的被测元件的被测光轴与测量光纤的测量光轴同轴；

所述的电荷耦合器件成像系统的成像光轴与参考光纤的参考光轴同轴；

所述的参考光纤出射端面与测量光纤出射端面尽量靠近。

本发明所述的参考光纤出射端面加工成斜面，使得参考光纤出射端面与参考光纤的参考光轴的夹角为θ。

本发明所述的参考光轴与测量光轴的夹角为180°-2θ，使得电荷耦合器件成像系统的成像光轴与被测元件的被测光轴夹角也是180°-2θ，为使结构排布方便，θ一般取60～85°。

本发明的另一个技术方案如下：一种光纤点衍射干涉仪的结构，至少包括激光器、分光镜、测量光耦合透镜、参考光耦合透镜、测量光纤、参考光纤、被测元件及其调整机构、电荷耦合器件成像系统、图像分析计算机和相移元件；所述的激光器发出的光入射到分光镜，将光分成两束，透射光经测量光耦合透镜耦合到测量光纤中，反射光达到相移元件反射回分光镜，经由分光镜2透射后作为参考光，并经参考光耦合透镜耦合到参考光纤中，从参考光纤出射端面出射的标准球面波作为参考光波，从测量光纤出射端面出射的标准球面波作为测量光波射到被测元件的被测面上、再反射到参考光纤出射端面上、与参考光波重叠后发生干涉，在电荷耦合器件成像系统的成像面上产生干涉条纹，用图像分析计算机分析干涉条纹，得到被测元件被测面的面形状况。

一种光纤点衍射干涉仪的检测方法，包括下列步骤：

A、选用两根纤芯直径小的单模光纤作为产生标准球面波的光纤，一根为参考光纤，另一根为测量光纤；

B、将激光器产生的激光经分光镜分光后，分别通过测量光耦合透镜和参考光耦合透镜耦合到测量光纤和参考光纤中；

C、将从参考光纤出射端面出射的标准球面波作为参考光波，将从测量光纤出射端面出射的标准球面波作为测量光波射到被测元件的被测面上，再反射到参考光纤出射端面上，与参考光波重叠后发生干涉，在电荷耦合器件成像系统的成像面上产生干涉条纹；

D、用图像分析计算机分析上述干涉条纹，得到被测元件的被测面面形状况。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明利用两根光纤纤芯衍射产生标准圆形的球面波作为理想的球面波光源，分别作为参考球面波和测量球面波。而所用的单模光纤纤芯直径是几个微米量级，与现有技术中圆形掩膜板小孔相比，产生的球面波要理想得多。而且光纤制作容易，成本较低。

2、本发明的激光耦合进光纤中后，除了参考光纤出射端面有一半的光强损耗外，其它部分光强损耗就很小了。而且两根光纤恰好形成两部分圆形的参考波面和测量波面，没有大的能量浪费，较容易形成清晰干涉像。

3、由于本发明所用光纤本身就较细小，端面容易靠得很近，光纤位置移动灵活，总体结构上空间容易排布。

4、由于本发明的参考光纤的出射端面与测量光纤的的出射端面靠得很近，使得入射到被测元件的光轴和从被测元件的出射的光轴夹角可以忽略，从而保证了系统的同轴性，减小了系统误差。

附图说明

图1是本发明光纤点衍射干涉仪装置实施例一的结构示意图。

图2是本发明光纤点衍射干涉仪装置实施例二的结构示意图。

图3是本发明光纤点衍射干涉仪检测中结构光纤端面排布放大图，实施例一和实施例二相同。

图中：1、激光器，2、分光镜，3、测量光耦合透镜，4、参考光耦合透镜，5、测量光纤，6、参考光纤，7、被测元件，8、电荷耦合器件成像系统，9、图像分析计算机，10、相移元件，501、测量光纤出射端面，502、测量光轴，601、参考光纤出射端面，602、参考光轴，701、被测面，702、入射光轴，703、出射光轴，801、成像面，802、成像光轴。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。

如图1所示，本发明的点衍射干涉仪至少包括：激光器1、分光镜2、测量光耦合透镜3、参考光耦合透镜4、测量光纤5、参考光纤6、被测元件7及其调整机构、电荷耦合器件成像系统8和图像分析计算机9。

将激光器1产生的激光经分光镜2分成两束光，一束光作为测量光，由测量光耦合透镜3耦合到测量光纤5中，另一束光作为参考光，由参考光耦合透镜4耦合到参考光纤6中。

从参考光纤出射端面601出射的标准球面波作为参考光波；从测量光纤出射端面501出射的标准球面波作为测量光波，射到被测元件7的被测面701上，再由被测面701反射到参考光纤出射端面601上，与参考光波叠加后发生干涉，产生的干涉条纹成像到电荷耦合器件成像系统8的成像面802上。

用图像分析计算机9采集电荷耦合器件面成像系统8的成像面802上的干涉条纹，并分析就可得到被测面701的面形状况。

激光器1一般是气体激光器、固体激光器或激光二极管。工作波长一般为可见光波长，例如632.8nm、532nm、650nm等，也可以是红外光或者是紫外光。激光输出口径为0.1～1mm。

分光镜2的分光比满足测量光纤5输出光到达电荷耦合器件成像系统8的光强与参考光纤6输出光到达电荷耦合器件成像系统8的光强相当的条件，因此，分光镜2的分光比根据被测面701的反射情况来定。选择合适的分光比，使得测量光到达电荷耦合器件成像系统8的光强与参考光到达电荷耦合器件成像系统8的光强相当。

当选用可见光激光器1时，测量光纤5和参考光纤6可以选用纤芯直径是若干微米的单模光纤，数值孔径的值可以是0.07～0.43。

为了使激光器1耦合到单模光纤中的效率高一些，选取的耦合透镜焦距要短一些，焦距一般为5～15mm，使得测量光耦合透镜3的数值孔径与测量光纤5的数值孔径相匹配；使得参考光耦合透镜4的数值孔径与参考光纤5的数值孔径相匹配。

为了减少光强损耗，并且使参考光到达电荷耦合器件面成像系统8的光强和测量光到达电荷耦合器件成像系统8的光强相当，将参考光纤出射端面601镀半反半透膜。

在检测调整过程中，测量光纤出射端面501、参考光纤出射端面601、被测元件7和电荷耦合器件成像系统8形成对角排布。将测量光纤端面501与被测元件7对角排布，将参考光纤端面601与电荷耦合器件成像系统8对角排布。同时调整使得被测元件7的入射光轴702与测量光轴502尽量同轴。调整电荷耦合器件成像系统8的成像光轴802与参考光轴602尽量同轴。

调整参考光纤出射端面601与测量光纤出射端面501尽量靠近。

由于光纤很细，参考光纤出射端面601与测量光纤出射端面501靠得很近，使得入射到被测元件7的入射光轴702和从被测元件7的出射的出射光轴703夹角接近于0°。

参考光纤出射端面601被加工成斜面，综合考虑被测面701情况，使得参考光纤出射端面601与参考光轴602的夹角θ为80°、70°、60°等系列，就如同干涉仪中标准球面镜F#有0.75、1.5、3.3、7.5、11等系列一样。则参考光轴602与测量光轴502的夹角为180°-2θ，使得电荷耦合器件成像系统8的成像光轴802与被测元件7的入射光轴702夹角也是180°-2θ。排布尽量使180°-2θ角度较小，减小系统误差。

最后通过计算机分析干涉条纹即可得到被测面701的像差。

下面结合实施例对本发明作进一步说明，并能够说明采用本发明光纤点衍射干涉仪结构能够达到球面波较为理想，激光损耗小，产生干涉图像容易，总体结构巧妙简单，成本低的技术效果。但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的实施例一如图1和图3所示，激光器1采用波长为532nm固体激光器作为光源，激光功率为几十mw量级，激光输出口径为1mm左右。

采用的分光镜2分光比透射出的参考光与反射出的测量光比为4％：96％，在被测面701没有镀膜的情况下，由参考光到达电荷耦合器件成像系统8的光强和由测量光到达电荷耦合器件成像系统8的光强相等，可以看出两束光的光强恰好匹配。

选用的测量光纤5和参考光纤6是纤芯直径为6μm的单模光纤，数值孔径的值为0.14。由于纤芯直径只有6μm，而且肯定很圆，所以输出的光一定是较理想的球面波。

选取的测量光耦合透镜3和参考光耦合透镜4焦距均为6.5mm，都可以较好地将光耦合到上述光纤中。当激光器1的M²因子小于1.2时，耦合到单模光纤中的光强可以达到30％以上。

为了减少光强损耗，并且使参考光到达电荷耦合器件成像系统8的成像面801的光强和测量光到达电荷耦合器件成像系统8的成像面801的光强相当，将参考光纤出射端面601镀半反半透膜。所以，不计被测面701的光强损耗，总的光强利用率可以达到30％×50％＝15％。因此，在电荷耦合器件成像系统8的成像面801上较容易产生干涉像。

将参考光纤出射端面601加工成斜面，使得参考光纤出射端面601与参考光轴602的夹角θ为80°。

在检测调整过程中，将测量光纤端面501与被测元件7对角排布，将参考光纤端面601与电荷耦合器件成像系统8对角排布。参考光轴602与测量光轴502的夹角为180°-(2×80°)＝20°，调整参考光纤出射端面601与测量光纤出射端面501尽量靠近，使得电荷耦合器件成像系统8的成像光轴802与被测元件7的入射光轴702夹角也是20°。调整使得被测元件7的入射光轴702与测量光轴502尽量同轴，激光从测量光纤5出射到被测元件7的被测面702上，部分反射到参考光纤出射端面601上，与参考光纤6出射光叠加相干。调整电荷耦合器件成像系统8的成像光轴801与参考光轴602尽量同轴，则干涉条纹成像在电荷耦合器件成像系统8的成像面801上。

最后通过计算机分析电荷耦合器件成像系统8的成像面801上的干涉条纹即可得到被测面701的像差。

本发明的实施例二如图2和图3所示，本实施例引入相移元件10并通过结构排布形成相移光纤点衍射干涉仪结构。

将激光器1产生的激光经分光镜2分成两束光，其中透射光作为测量光，由测量光耦合透镜3耦合到测量光纤5中，反射光达到相移元件10反射回分光镜2，经由分光镜2透射后作为参考光，由参考光耦合透镜4耦合到参考光纤6中。

从参考光纤出射端面601出射的标准球面波作为参考光波；从测量光纤出射端面501出射的标准球面波作为测量光波，射到被测元件7的被测面701上，再由被测面701反射到参考光纤出射端面601上，与参考光波叠加后发生干涉，产生的干涉条纹成像到电荷耦合器件成像系统8的成像面802上。

相移元件10由计算机控制产生相移，在电荷耦合器件成像系统8的成像面802上产生多幅相移干涉图。

用图像分析计算机9采集电荷耦合器件成像系统8的成像面802上的多幅相移干涉图，分析就可得到被测面701的面形状况。

激光器1采用波长为632.8nm He-Ne气体激光器作为光源，激光功率为几十mw量级，激光输出口径为1mm左右。

此时，采用的分光镜2分光比透射出的参考光与反射出的测量光比设计为8％：96％，在被测面701没有镀膜的情况下，由参考光到达电荷耦合器件成像系统8的光强和由测量光到达电荷耦合器件成像系统8的光强相等，可以看出两束光的光强恰好匹配。

当然也可以在参考臂或测量臂插入一定衰减量的衰减片，达到两束光的光强匹配。

选用的测量光纤5和参考光纤6是纤芯直径为6μm的单模光纤，数值孔径的值为0.11。由于纤芯直径只有6μm，而且肯定很圆，所以输出的光一定是较理想的球面波。

选取的测量光耦合透镜3和参考光耦合透镜4焦距均为6.5mm，都可以较好地将光耦合到上述光纤中。当激光器1的M²因子小于1.2时，耦合到单模光纤中的光强可以达到30％以上。

为了减少光强损耗，并且使参考光到达电荷耦合器件成像系统8的成像面802的光强和测量光到达电荷耦合器件成像系统8的成像面802的光强相当，将参考光纤出射端面601镀半反半透膜。所以，不计被测面701的光强损耗，总的光强利用率可以达到30％×50％＝15％。因此，在电荷耦合器件成像系统8的成像面802上较容易产生干涉像。

参考光纤出射端面601加工成斜面，使得参考光纤出射端面601与参考光轴602的夹角θ为70°。

在检测调整过程中，将测量光纤端面501与被测元件7对角排布，将参考光纤端面601与电荷耦合器件成像系统8对角排布。参考光轴602与所述测量光轴502的夹角180°-(2×70°)＝40°，调整参考光纤出射端面601与测量光纤出射端面501尽量靠近，使得所述的电荷耦合器件成像系统8的成像光轴802与被测元件7的入射光轴702夹角也是40°。调整使得被测元件7的入射光轴702与测量光轴502尽量同轴，激光从测量光纤5出射被测元件7的被测面701上，部分反射到参考光纤出射端面601上，与参考光纤6出射光叠加相干。调整电荷耦合器件成像系统8的成像光轴802与参考光轴602尽量同轴，则干涉条纹成像在电荷耦合器件成像系统8的成像面801上。

最后相移元件10由计算机控制产生相移，在电荷耦合器件成像系统8的成像面801上产生多幅相移干涉图。用图像分析计算机9采集电荷耦合器件成像系统8的成像面801上的多幅相移干涉图，分析就可得到被测面701的面形状况。

Claims (5)

1.一种光纤点衍射干涉仪的结构，其特征在于：至少包括激光器(1)、分光镜(2)、测量光耦合透镜(3)、参考光耦合透镜(4)、测量光纤(5)、参考光纤(6)、被测元件(7)及其调整机构、电荷耦合器件成像系统(8)和图像分析计算机(9)；所述的激光器(1)发出的光入射到分光镜(2)，将光分成两束，一束光经测量光耦合透镜(3)耦合到测量光纤(5)中，另一束光经参考光耦合透镜(4)耦合到参考光纤(6)中，从参考光纤出射端面(601)出射的标准球面波作为参考光波，从测量光纤出射端面(501)出射的标准球面波作为测量光波射到被测元件(7)的被测面(701)上、再反射到参考光纤出射端面(601)上、与参考光波重叠后发生干涉，在电荷耦合器件成像系统(8)的成像面(801)上产生干涉条纹，用图像分析计算机(9)分析干涉条纹，得到被测元件(7)被测面(701)的面形状况；

所述的分光镜(2)的分光比满足测量光纤(5)输出光到达电荷耦合器件成像系统(8)的光强与参考光纤(6)输出光到达电荷耦合器件成像系统(8)的光强相当的条件；

所述的测量光耦合透镜(3)的数值孔径与测量光纤(5)的数值孔径相匹配；所述的参考光耦合透镜(4)的数值孔径与参考光纤(6)的数值孔径相匹配；

所述的测量光纤(5)和参考光纤(6)都是单模光纤；

参考光纤出射端面(601)镀半反半透膜；

所述的测量光纤出射端面(501)、参考光纤出射端面(601)、被测元件(7)和电荷耦合器件成像系统(8)形成对角排布，所述的测量光纤出射端面(501)与被测元件(7)对角排布，参考光纤(6)端面与电荷耦合器件成像系统(8)对角排布；

所述的被测元件(7)的被测光轴与测量光纤(5)的测量光轴(502)同轴；

所述的电荷耦合器件成像系统(8)的成像光轴(802)与参考光纤(6)的参考光轴(602)同轴；

所述的参考光纤出射端面(601)与测量光纤出射端面(501)尽量靠近。

2.根据权利要求1所述的一种光纤点衍射干涉仪的结构，其特征在于：所述的参考光纤出射端面(601)加工成斜面，使得参考光纤出射端面(601)与参考光纤(6)的参考光轴(602)的夹角为θ。

3.根据权利要求1所述的一种光纤点衍射干涉仪的结构，其特征在于：所述的参考光轴(602)与测量光轴(502)的夹角为180°-2θ，使得电荷耦合器件成像系统(8)的成像光轴(802)与被测元件(7)的被测光轴夹角也是180°-2θ，为使结构排布方便，θ一般取60～85°。

4.根据权利要求1所述的一种光纤点衍射干涉仪的结构，其特征在于：还包括相移元件(10)；所述的激光器(1)发出的光入射到分光镜(2)，将光分成两束，透射光经测量光耦合透镜(3)耦合到测量光纤(5)中，反射光达到相移元件(10)反射回分光镜(2)，经由分光镜(2)透射后作为参考光，并经参考光耦合透镜(4)耦合到参考光纤(6)中，从参考光纤出射端面(601)出射的标准球面波作为参考光波，从测量光纤出射端面(501)出射的标准球面波作为测量光波射到被测元件(7)的被测面(701)上、再反射到参考光纤出射端面(601)上、与参考光波重叠后发生干涉，在电荷耦合器件成像系统(8)的成像面(801)上产生干涉条纹，用图像分析计算机(9)分析干涉条纹，得到被测元件(7)被测面(701)的面形状况。

5.一种光纤点衍射干涉仪的检测方法，其特征在于：包括下列步骤：

A、选用两根纤芯直径小的单模光纤作为产生标准球面波的光纤，一根为参考光纤(6)，另一根为测量光纤(5)；

B、将激光器(1)产生的激光经分光镜(2)分光后，分别通过测量光耦合透镜(3)和参考光耦合透镜(4)耦合到测量光纤(5)和参考光纤(6)中；

C、将从参考光纤出射端面(601)出射的标准球面波作为参考光波，将从测量光纤出射端面(501)出射的标准球面波作为测量光波射到被测元件(7)的被测面(701)上，再反射到参考光纤出射端面(601)上，与参考光波重叠后发生干涉，在电荷耦合器件成像系统(8)的成像面(801)上产生干涉条纹；

D、用图像分析计算机(9)分析上述干涉条纹，得到被测元件(7)的被测面(701)面形状况。

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