CN103322933A

CN103322933A - 非接触式光学镜面间隔测量装置

Info

Publication number: CN103322933A
Application number: CN2013102803965A
Authority: CN
Inventors: 郭帮辉; 王健; 黄剑波; 孙强; 李�灿; 张建忠
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明涉及一种非接触式光学镜面间隔测量装置，包括：照明模块、光纤模块、两个光纤准直镜头、反射镜、直线位移传感器、光电探测器和机械调平台。本发明提出的非接触式光学镜面间隔测量装置的精度高，镜片间隔测量精度可以达到±1μm，能满足高精度光学系统的装校要求；本发明采用光学相干测量的原理，测量过程中，没有任何机械测量部件与被测镜面接触，不会对被测镜片产生损伤，属于非接触无损测量；本发明自动化程度高，将被测镜头放置在机械调平台上，完成调平之后，整个测量过程就在软件控制下进行，而且，需要的测量时间很短，提高了测量效率。

Description

非接触式光学镜面间隔测量装置

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别涉及一种采用光学干涉的原理来测量光学镜面间隔的，非接触式光学镜面间隔测量装置。

背景技术

光学系统的镜面间隔决定了各个镜片的相对位置，其误差严重地影响光学系统的综合性能。对于普通的光学成像系统，其镜面间隔公差一般为±0.01mm～±0.02mm；对于光学显微镜头和精密测量镜头，其镜面间隔公差一般为±0.005mm～±0.01mm；对于高精度光刻镜头，其镜面间隔公差一般为±0.001mm～±0.003mm。如此高的镜片间隔公差要求，只有在光学镜头装调过程中，通过高精度的镜面间隔测量设备的实时监控才能保证。

传统的光学镜头装调过程中，通过测量镜片之间的机械隔圈，并对机械隔圈的厚度进行加工修正，来控制光学镜片间隔。这种方法存在以下问题：其一，如果光学镜片在安装的过程中存在一定的偏心量，即使机械隔圈尺寸很准确，镜片间隔也会存在较大误差；其二，光学镜片安装之后，无法实时测量镜片间隔。因此，通过测量机械隔圈的厚度来控制光学镜片间隔的方法，精度不高，无法形成闭环控制。

另一种测量光学镜片间隔的方法是：采用一根高度尺，分别测量镜片安装之前的最上方的镜面顶点的高度值，以及镜片安装之后的最上方的镜面顶点的高度值，这两个高度值之差再减去最上方镜片的中心厚度，等于最上方两片镜片的空气间隔。这种测量方法也存在以下问题：其一，在测量镜面顶点高度时，高度尺的测量头与镜面顶点接触，容易损坏镜片和镜片表面的膜层；其二，测量镜面顶点高度时，难以准确找到镜面顶点，从而引入较大的测量误差；其三，较高精度的高度尺的测量精度仅为±0.01mm，无法保证镜片间隔的测量精度达到微米级。

如何解决现有光学镜片间隔测量方法的缺点，提高镜片间隔测量的精度和安全性，已经成为光学装调领域技术人员的一个重要技术课题。

发明内容

本发明提出了一种非接触式光学镜面间隔测量装置，其采用光学相干测量的方法，测量过程中，没有任何机械件与被测镜片表面接触，实现了光学镜片非接触无损检测，而且，镜片间隔测量精度可以达到微米级，能解决现有光学镜片间隔测量方法的缺点，满足光学镜头高精度装调要求。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种非接触式光学镜面间隔测量装置，包括：照明模块、光纤模块、两个光纤准直镜头、反射镜、直线位移传感器、光电探测器和机械调平台；

所述照明模块包括短相干光源和作为指示光源的可见光LED光源；

所述光纤模块包括光纤和光纤耦合器；

所述光纤准直镜头可减小光纤出射光束的发散角，将光纤出射光束转换为近似平行光束；一个所述光纤准直镜头设置于测量光路中，将测量光路中的光纤出射光束转换为近似平行光束，再入射到被测镜片表面；另一个光纤准直镜头设置于参考光路中，将参考光路中的光学出射光束转换为近似平行光束，再入射到参考光路中的反射镜表面；

所述反射镜用于参考光路中，将参考光路中的光纤出射光束沿原路反射，经过上述光纤准直镜头聚焦，耦合到光纤中；

所述直线位移传感器用于参考光路中，上述反射镜安装在直线位移传感器之上，测量过程中，反射镜作直线运动，直线位移传感器记录反射镜移动过程中各个时刻所处的位置；

所述光电探测器用于探测参考光路和测量光路反射回来的光束能量，其光谱响应范围应该覆盖上述短相干光源的光谱范围；

所述机械调平台设置于测量光路中，被测光学镜头放置在机械调平台上，通过机械调平台的调节旋钮，能够调节被测光学镜头的位置和俯仰角，使被测镜头的光轴与上述光纤准直镜头的光轴重合。

上述技术方案中，所述短相干光源为超辐射发光二极管，其相干长度小于30μm，中心波长位于800nm～1400nm之间。

上述技术方案中，所述光纤的传输波段范围覆盖所述短相干光源的波段范围。

上述技术方案中，所述光纤耦合器包括1×2光纤耦合器和2×2光纤耦合器两种，其中：1×2光纤耦合器将短相干光源和可见光LED光源发出的光束耦合到一路光纤中；2×2光纤耦合器将测量样品反射回的光束和参考光路反射回的光束耦合到与光电探测器相连的光纤中。

本发明具有以下的有益效果：

第一，本发明提出的非接触式光学镜面间隔测量装置的精度高，镜片间隔测量精度可以达到±1μm，能满足高精度光学系统的装校要求。

第二，本发明提出的非接触式光学镜面间隔测量装置，采用光学相干测量的原理，测量过程中，没有任何机械测量部件与被测镜面接触，不会对被测镜片产生损伤，属于非接触无损测量。

第三，本发明提出的非接触式光学镜面间隔测量装置，自动化程度高，将被测镜头放置在机械调平台上，完成调平之后，整个测量过程就在软件控制下进行，而且，需要的测量时间很短，提高了测量效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1所示为本发明的非接触式光学镜面间隔测量装置的结构示意图。

图中的附图标记表示为：

100是短相干光源；

101是可见光LED光源；

200是1×2光纤耦合器；

201是2×2光纤耦合器；

202是光纤；

300是光纤准直镜头；

301是光纤准直镜头；

400是反射镜；

500是直线位移传感器；

600是光电探测器；

700是机械调平台；

800是被测光学镜头。

具体实施方式

本发明的发明思想为：

本发明提出一种光学镜片间隔测量装置，采用光学相干测量的方法，其主体结构是一个迈克尔逊干涉仪，主光路分为两部分：测量臂光路和参考臂光路。短相干光源和可见光LED光源发出的光束，经过1×2光纤耦合器，耦合到一根光纤中，再通过2×2光纤耦合器，将光源发出的光束分为两路，一路进入测量臂，另一路进入参考臂。进入测量臂的光束经过光纤准直镜，转换为近似平行光束出射，到达被测光学镜头表面，光束经被测光学镜头表面反射，沿原路逆向返回。进入参考臂的光束经过光纤准直镜，转换为近似平行光束出射，到达反射镜表面，光束被反射后，沿原路逆向返回。测量臂和参考臂反射回来的光束，分别通过上述两个光纤准直镜头耦合到光纤中，这两路光束再次经过上述2×2光纤耦合器，被耦合到一根光纤中，并传输到光电探测器靶面，光电探测器将光信号转换为电信号。

在测量过程中，参考臂的反射镜进行直线扫描，用直线位移传感器记录各个时刻的反射镜位置，用信号采集电路采集并记录扫描过程中各个时刻光电探测器产生的电信号的幅值，电信号峰值表示此时刻的反射镜位置处，产生的光学相干信号最强，测量臂和参考臂的光程差为零，即信号峰值点的反射镜位置能够用来表示被测光学镜面的顶点位置。在参考臂的反射镜进行直线扫描过程中，采集到的光电探测器信号会出现多个峰值，这些峰值点对应的反射镜位置分别代表被测光学镜头各个镜面顶点的位置，相邻两个峰值点对应的直线位移传感器的读数之差ΔL，等于相应的两个被测光学表面顶点的光程S。如果这两个被测光学镜面是同一镜片的两个表面，则该镜片的厚度等于上述直线位移传感器的读数之差ΔL除以该镜片的折射率；如果这两个被测光学镜面不是同一镜片的两个表面，则这两个被测光学镜面顶点之间的空气间隔等于上述直线位移传感器的读数之差ΔL。

进一步的，在进行光学镜片间隔测量之前，将可见光LED光源点亮，可见光通过光纤传输，经光纤准直镜头入射到被测光学镜头上表面，用来指示测量点位置。在光学镜片间隔测量过程中，关闭可见光LED光源，点亮短相干光源。

进一步的，光学镜片间隔测量的精度由直线位移传感器的位置测量精度决定，选用高精度的光栅尺或者激光干涉仪，其位置测量精度可高于±1μm。

下面结合附图说明本专利的具体实施方式。

如图1所示，本发明具体实施例的光学镜片间隔测量装置由以下几部分组成：短相干光源100，可见光LED光源101，1×2光纤耦合器200，2×2光纤耦合器201，光纤202，光纤准直镜头300和光纤准直镜头301，反射镜400，直线位移传感器500，光电探测器600，机械调平台700。

短相干光源100选用超辐射发光二极管SLD，工作模式是连续发光模式，功率30mW，中心波长是1310nm，半峰值带宽是45nm，其光学相干长度25.2μm。短相干光源100用于光学相干测量。

可见光LED光源101，功率120mW，其中心波长是650nm，半峰值带宽是30nm。可见光LED光源101用于标示镜面被测点位置。

光纤准直镜头300和光纤准直镜头301的结构参数一样，焦距等于15mm，数值孔径是0.36。

反射镜400安装在直线位移传感器500上，反射镜400将光纤准直镜头301出射的光束反射，该光束沿原路逆向返回，再经光纤准直镜头301聚焦进入光纤中。

直线位移传感器500选用高精度的绝对式光栅尺，量程为800mm，经过误差补偿之后，其测量精度达到±0.5μm。

光电探测器600选用雪崩光电二极管，光谱响应范围950～1650nm，最大增益0.9×10⁶V/W，饱和功率5μW。

机械调平台700可以进行位置和角度调节，X和Y两个方向的位置调整范围均为±5mm，位置调节精度是±1μm，倾斜角度调节范围是±1.5°，角度调节精度是±1″。

本发明实施例的工作过程：首先，调节机械调平台700的倾斜角，利用水平仪检测其水平度，一直调节到水平为止。再将被测光学镜头800放置在机械调平台700的中心，点亮可见光LED光源101，在被测光学镜头800的最上表面会产生一个指示光点，即为光学间隔测量点，如果此测量点偏离被测光学镜头800的中心，则调节机械调平台700的X和Y方向位移，直到指示光点位于被测光学镜头800的中心为止。然后，熄灭可见光LED光源101，点亮短相干光源100，该光源发出的光束，经过光纤202、1×2光纤耦合器200之后，进入2×2光纤耦合器201，被分为两路，一路光束进入测量臂光路，另一路光束进入参考臂光路，进入测量臂的光束经过光纤准直镜301，转换为近似平行光束出射，到达被测光学镜头800的各个表面，光束经被测光学镜头800的各个表面反射，沿原路逆向返回。进入参考臂的光束经过光纤准直镜300，转换为近似平行光束出射，到达反射镜400表面，光束被反射后，沿原路逆向返回。测量臂和参考臂反射回来的光束，分别通过上述两个光纤准直镜头（光纤准直镜头300和光纤准直镜头301）耦合到光纤中，这两路光束再次经过2×2光纤耦合器201，被耦合到一根光纤中，并传输到光电探测器600的靶面，光电探测器600将光信号转换为电信号。

在光学镜片间隔测量过程中，参考臂的反射镜400沿平行光轴的方向进行直线扫描，直线位移传感器500记录扫描过程中各个时刻的反射镜400位置，与此同时，信号采集电路采集并记录扫描过程中各个时刻光电探测器600产生的电信号幅值，电信号峰值表示此时刻的反射镜位置处，测量臂和参考臂产生的光学相干信号最强，此时测量臂和参考臂的光程差为零，即信号峰值点的反射镜400的位置表示被测光学镜面的顶点位置。在参考臂的反射镜400进行直线扫描过程中，采集到的光电探测器信号会出现多个峰值，这些峰值点对应的反射镜位置分别代表被测光学镜头800的各个镜面顶点位置，相邻两个峰值点对应的直线位移传感器500的读数之差ΔL，等于相应的两个被测光学表面顶点的光程S。这两个被测光学镜面的中心厚度d用下式计算：d=ΔL/n(λ_c)，其中，n(λ_c)是这两个被测光学镜面之间的介质在短相干光源中心波长处的折射率。利用上述公式，能够计算被测光学镜头800各个相邻表面之间的中心间隔。

光电探测器600接收到的光信号能量与短相干光源100的输出功率有关，在光学镜片间隔测量过程中，必须保证光电探测器600处于非饱和状态，否则，会产生很大的测量误差。通过调节短相干光源100的输出功率，能够保证光电探测器600处于非饱和状态。

光学镜片间隔测量的精度由直线位移传感器500的位置测量精度决定，本发明实施例选用高精度的绝对式光栅尺进行位置测量，其位置测量精度可以达到±0.5μm，对测量过程中的系统误差进行修正，本发明实施例对光学镜片间隔的测量精度可以达到±1μm。另外，选用的绝对式光栅尺的量程为800mm，因此，本发明实施例可以测量的最大光程为800mm。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种非接触式光学镜面间隔测量装置，其特征在于，包括：照明模块、光纤模块、两个光纤准直镜头、反射镜、直线位移传感器、光电探测器和机械调平台；

所述光纤模块包括光纤和光纤耦合器；

2.根据权利要求1所述的非接触式光学镜面间隔测量装置，其特征在于，所述短相干光源为超辐射发光二极管，其相干长度小于30μm，中心波长位于800nm～1400nm之间。

3.根据权利要求2所述的非接触式光学镜面间隔测量装置，其特征在于，所述光纤的传输波段范围覆盖所述短相干光源的波段范围。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的非接触式光学镜面间隔测量装置，其特征在于，所述光纤耦合器包括1×2光纤耦合器和2×2光纤耦合器两种，其中：1×2光纤耦合器将短相干光源和可见光LED光源发出的光束耦合到一路光纤中；2×2光纤耦合器将测量样品反射回的光束和参考光路反射回的光束耦合到与光电探测器相连的光纤中。