CN107144217B - 用于光学元件加工质量在线检测的光纤干涉共焦系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于光学元件加工质量在线检测的光纤干涉共焦系统，系统采用光纤器件将白光干涉系统和激光共焦系统进行了共光路集成，以实现光学元件多参数同步在线检测。其中，使用光延迟线和压电陶瓷相结合的光程调整方法以迅速定位干涉位置并实现轴向扫描；将CCD相机和多孔环带滤波器插件等器件以空间光路的形式集成于测量探头，可实现白光干涉全场测量以及激光共焦高分辨率测量；集成测量探头驮载于五维运动台上，可实现测量探头的高自由度位姿调整。本发明系统具有尺寸小、结构紧凑、抗干扰能力强等特点，测量探头与系统主体装置分离且空间距离可灵活调整，无需调整待测光学元件位置，对于大口径光学元件加工质量的在线检测具有很大的优势。
Description
技术领域
本发明属于光学、电子技术、精密机械、显微摄像等多学科交叉的前沿研究领域，具体涉及一种用于光学元件加工质量在线检测的光纤干涉共焦系统。
背景技术
大口径光学元件对现代信息科学具有极为重要的意义。随着加工精度的不断发展，大口径光学元件的加工精度不断提高，其形状精度需要达到与光波长相同或者更高量级，表面粗糙度Ra值小于光波长的1/10，也就是处于亚微米或纳米水平；另一方面，由于大口径光学元件的面形参数往往处于宏观尺度，这要求测试系统在测量中能够兼顾大范围和高精度测量。大口径光学元件的高精度检测包括表面面形、粗糙度和亚表面损伤三个参数，其中表面粗糙度和亚表面损伤是全面评价表面质量的两个参数。
从目前的测量方法看，光学元件的质量检测仍以光学方法为主。随着以白光扫描干涉术为代表的一系列光学技术及装置的迅速发展，越来越多的商业化白光干涉仪被应用到这类测量中，一些针对大范围测量的研究更揭示了白光扫描干涉术应用于这一领域的巨大潜力。白光干涉仪包括光源、干涉系统、扫描工作台、显微物镜和CCD，主要是利用垂直位移台完成垂直扫描过程；压电陶瓷驱动扫描工作台从而带动待测物，使其不同高度的表面依次达到零光程差位置，产生干涉条纹，由CCD记录整个扫描过程中干涉条纹的变化情况，提取待测物的表面形貌，结合水平位移台，该系统可进行较大面积的形貌测量。另一方面，若要实现光学元件表面质量的全面检测，还应对其亚表面损伤进行无损评价，而亚表面损伤掩盖在表层以下，复杂又隐蔽，其检测非常困难，现有白光干涉仪还不能对其进行直接测量；激光共焦层析法采用共轭焦点技术，使点光源、样品及点探测器处于彼此对应的共轭位置，沿光轴移动物体就可得到光学元件深度方向的由亚表面损伤引起的光散射分布图，结合光学散射和微弱信号处理技术，该方法是有望实现亚表面损伤定量检测最有潜力的方法之一。然而，大口径光学元件的加工质量检测仍然存在诸多挑战：1)表面粗糙度和亚表面损伤不是在同一装置上检测，更不能保证对同一待测区域同时实现表面粗糙度和亚表面检测，从而不能真实评价被测区域的加工质量；2)对检测环境要求极高，更对被测件尺寸、及其调整装置的精度和稳定性有很高的要求，这就限制了检测只能在隔振、恒温恒湿等条件较好的实验室中进行，大大降低了检测效率。
因此，研究具有高度灵活性的基于光纤干涉的大型光学元件质量检测系统，能以较少的调整维度达到较高的测量精度，同时降低对测量环境的要求，可以推广至工况条件下使用，是目前亟待解决的工程难题；开展光学元件质量检测方法和技术研究，通过白光干涉测量装置与激光共焦层析装置相结合，进行大口径光学元件表面和亚表面损伤同步检测仪器的研究势在必行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于光学元件加工质量在线检测的光纤干涉共焦系统。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：
用于光学元件加工质量在线检测的光纤干涉共焦系统，包括光源切换装置、白光干涉装置、激光共焦装置，计算机以及分别与计算机连接的CCD相机和光电探测器；其中，
光源切换装置包括宽带光源、激光光源、第一光纤隔离器、第二光纤隔离器和2×1光纤耦合器；
白光干涉装置包括2×2光纤耦合器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、带宽分光棱镜和显微物镜；
激光共焦装置包括2×2光纤耦合器、第一光纤准直器、带宽分光棱镜和显微物镜；所述白光干涉装置和激光共焦装置采用共光路结构，对同一检测区域实现多参数同步检测；
宽带光源、激光光源、第一光纤隔离器、第二光纤隔离器、2×1光纤耦合器、光电探测器、2×2光纤耦合器、第一光纤准直器和第二光纤准直器之间均采用单模光纤进行连接；第一光纤准直器和第二光纤准直器相对设置于带宽分光棱镜两侧的透射光轴上，管镜镜组和显微物镜分别设置于带宽分光棱镜两侧的反射光轴上，CCD相机位于管镜镜组焦点位置，CCD相机通过管镜镜组采集白光干涉图像，光电探测器用于探测激光共焦信号，上述器件均以空间光路集成于一个测量探头中。
本发明进一步的改进在于，白光干涉装置采用Mach-Zehnder结构，在其参考光路中依次设置了光纤环形器、光延迟线、第三光纤准直器、反射镜和压电陶瓷；其中，光延迟线和压电陶瓷由计算机控制，分别用于参考光路光程的粗调和精调，以迅速定位干涉位置并实现轴向扫描。
本发明进一步的改进在于，测量探头中还设置了多孔环带滤波器插件，该多孔环带滤波器插件设置于显微物镜的前端，用于安装不同中心遮挡圆的环形滤波器，实现激光共焦高分辨率成像；测量探头安装于五维运动台上，用于对其进行三维平移和二维旋转以实现高自由度位姿调整。
本发明进一步的改进在于，工作时，打开宽带光源，关闭激光光源，多孔环带滤波器插件置空，计算机控制五维运动台做三维平移和二维旋转，使测量探头以设定的高度垂直入射到待测光学元件表面上，通过观察CCD相机成像，使显微物镜对焦到待测子孔径区域；控制光延迟线和压电陶瓷对干涉层进行轴向移动以选择设定的表面扫描范围，控制压电陶瓷从设定高度开始向下进行表面形貌的扫描测量，获取子孔径区域表面面形、粗糙度参数以及亚表面损伤分布与类型；
关闭宽带光源，在光延迟线中对参考光路进行切断，打开激光光源，在多孔环带滤波器插件上选择设定的环形滤波器，根据上一步得到的亚表面损伤分布与类型，控制五维运动台依次在损伤位置做轴向层析，获取子孔径区域亚表面损伤深度；
控制五维运动台移动测量探头到下一个测量区域，重复上述操作，采用子孔径拼接算法，完成整个评估区域的测量。
本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的用于光学元件加工质量在线检测的光纤干涉共焦系统，将白光干涉装置和激光共焦装置进行了共光路集成，可对同一检测区域实现多参数同步检测；另外，光纤器件的引入使实际干涉共焦系统变得灵活、结构简单紧凑、抗干扰能力强，如测量探头可与系统主体装置分离，且空间距离可灵活调整，能够实现光学元件加工质量的在线检测。
进一步，白光干涉装置采用Mach-Zehnder光纤干涉结构，结合测量探头空间光路的设计可实现全场测量；光纤环形器的引入使得白光干涉轴向扫描测量过程可在远离测量探头的地方进行，增强测量探头的灵活性；采用光延迟线和压电陶瓷相结合的光程调整方法以迅速定位干涉位置并实现轴向扫描。
进一步，测量探头中，在显微物镜前端设计配备多孔环带滤波器插件，用于安装不同中心遮挡圆的环形滤波器，可实现高分辨率共焦显微成像；测量探头驮载于五维运动台上进行位姿改变，无需调整待测光学元件位置，采用子孔径拼接算法，可实现大口径光学元件加工质量的在线检测。
进一步，光纤白光干涉和激光共焦系统的共光路设计可保证光学元件表面面形、表面粗糙度和亚表面损伤的检测处于同一区域，经过一个检测过程即可完成以上三个参数的测量，因此可真实有效地反映待测元件加工质量。
附图说明
图1为光纤干涉共焦集成测量系统示意图。
图中：1-宽带光源，2-激光光源，3-第一光纤隔离器，4-第二光纤隔离器，5-2×1光纤耦合器，6-2×2光纤耦合器，7-第一光纤准直器，8-第二光纤准直器，9-带宽分光棱镜，10-计算机，11-显微物镜，12-管镜镜组，13-CCD相机，14-光电探测器，15-多孔环带滤波器插件，16-五维运动台，17-光纤环形器，18-光延迟线，19-第三光纤准直器，20-反射镜，21-压电陶瓷，22-待测光学元件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明用于光学元件加工质量在线检测的光纤干涉共焦系统，包括光源切换装置、白光干涉装置、激光共焦装置、计算机10和分别与计算机连接的CCD相机13、光电探测器14、五维运动台16；其中，光源切换装置由宽带光源1、激光光源2、第一光纤隔离器3、第二光纤隔离器4和2×1光纤耦合器5构成；白光干涉装置采用Mach-Zehnder干涉结构，由2×2光纤耦合器6、第一光纤准直器7、第二光纤准直器8、带宽分光棱镜9、光纤环形器17、光延迟线18、第三光纤准直器19、反射镜20和压电陶瓷21构成，CCD相机13通过管镜镜组12采集白光干涉图像；激光共焦装置采用反射式共焦结构，由2×2光纤耦合器6、第一光纤准直器7、带宽分光棱镜9、多孔环带滤波器插件15和显微物镜11构成，光电探测器14用于探测激光共焦信号；所述白光干涉装置和激光共焦装置采用共光路结构，对同一检测区域实现多信息同步检测
如图1所示，所有粗实线代表光纤光路，宽带光源1为带尾纤输出的LED，激光光源2为带尾纤输出的半导体激光器，光源切换装置与干涉装置、共焦装置以及光纤器件之间均以单模光纤连接；图中双虚线代表空间光路，其上箭头表明了光的传播方向。虚线框表示测量探头，其与五维运动台16虚线连接表示机械装配；图中带箭头指向的细实线表示电路连接，分别表示了数据采集和光机控制。其中，所述宽带光源1、激光光源2、第一光纤隔离器3、第二光纤隔离器4、2×1光纤耦合器5、2×2光纤耦合器6、第一光纤准直器7、第二光纤准直器8、光电探测器14、光纤环形器17、光延迟线18和第三光纤准直器19之间均采用单模光纤进行连接；所述第一光纤准直器7和第二光纤准直器8相对设置于带宽分光棱镜9两侧的透射光轴上，管镜镜组12和显微物镜11分别设置于带宽分光棱镜9两侧的反射光轴上，CCD相机13位于管镜镜组12焦点位置，多孔环带滤波器插件15位于显微物镜11前端，上述器件均以空间光路集成于一个测量探头中。
工作时分两个阶段，具体步骤为：
打开宽带光源1，关闭激光光源2，多孔环带滤波器插件15置空，计算机10控制五维运动台16做三维平移和二维旋转，使测量探头以设定的高度垂直入射到待测光学元件22表面上；宽带光源1发出的白光经过第一光纤隔离器3、2×1光纤耦合器5后从2×2光纤耦合器6的一端进入，经分光后从第一光纤准直器7和第二光纤准直器8射出，两路光分别为参考光路和测量光路，测量光路的光从第一光纤准直器7入射到带宽分束棱镜9上，经反射后依次通过置空的多孔环带滤波器插件15和显微物镜11后，聚焦于待测光学元件22上，经待测光学元件22反射后再次通过显微物镜11、多孔环带滤波器插件15，入射到带宽分束棱镜9的分束面上；参考光路的光从光纤环形器17的第一端口进入，从第二端口出射后依次通过光延迟线18、第三光纤准直器19和反射镜20后也再次反射耦合进第三光纤准直器19，沿原路返回又通过光延迟线18从光纤环形器17的第二端口进入，再从第三端口通过第二光纤准直器8入射到带宽分束棱镜9的分束面上；测量光和参考光在带宽分束棱镜9的分束面上发生干涉，经管镜镜组12成像于CCD相机13上，记录下测量口径中微区域的显微放大的白光干涉图像；由计算机10控制光延迟线18和压电陶瓷21对干涉层进行轴向粗调和精调以快速选择设定的表面扫描范围，控制压电陶瓷21从设定高度开始向下进行表面形貌的扫描测量，获取子孔径区域表面面形和粗糙度参数。
关闭宽带光源1，在光延迟线18中对参考光路进行切断，打开激光光源2，针对不同分辨率要求，在多孔环带滤波器插件15上选择设定的环形滤波器；激光光源2发出的激光通过第二光纤隔离器4、2×1光纤耦合器5后从2×2光纤耦合器6的一端进入，沿测量臂从第一光纤准直器7射出，经带宽分光棱镜9分束面反射后依次通过多孔环带滤波器插件15和显微物镜11，聚焦于待测光学元件22表面；经待测表面反射或亚表面损伤散射后，光信号沿原路返回，再次耦合进第一光纤准直器7，从2×2光纤耦合器6的一端进入，从连接光电探测器14的一端输出，以本系统所用单模光纤的端面来代替探测针孔，在光纤的输出端使用光敏面远大于纤芯的光电探测器14输出积分光强；由计算机10控制五维运动台16进行轴向层析，完成子孔径区域亚表面损伤参数的检测。
控制五维运动台16移动测量探头到下一个测量区域，重复上述操作，采用子孔径拼接算法，完成整个评估区域的测量。
Claims (3)
1.用于光学元件加工质量在线检测的光纤干涉共焦系统，其特征在于，包括光源切换装置、白光干涉装置、激光共焦装置，计算机(10)以及分别与计算机连接的CCD相机(13)和光电探测器(14)；其中，
光源切换装置包括宽带光源(1)、激光光源(2)、第一光纤隔离器(3)、第二光纤隔离器(4)和2×1光纤耦合器(5)；
白光干涉装置包括2×2光纤耦合器(6)、第一光纤准直器(7)、第二光纤准直器(8)、带宽分光棱镜(9)和显微物镜(11)；
激光共焦装置包括2×2光纤耦合器(6)、第一光纤准直器(7)、带宽分光棱镜(9)和显微物镜(11)；所述白光干涉装置和激光共焦装置采用共光路结构，对同一检测区域实现多参数同步检测；
宽带光源(1)、激光光源(2)、第一光纤隔离器(3)、第二光纤隔离器(4)、2×1光纤耦合器(5)、光电探测器(14)、2×2光纤耦合器(6)、第一光纤准直器(7)和第二光纤准直器(8)之间均采用单模光纤进行连接；第一光纤准直器(7)和第二光纤准直器(8)相对设置于带宽分光棱镜(9)两侧的透射光轴上，管镜镜组(12)和显微物镜(11)分别设置于带宽分光棱镜(9)两侧的反射光轴上，CCD相机(13)位于管镜镜组(12)焦点位置，CCD相机(13)通过管镜镜组(12)采集白光干涉图像，光电探测器(14)用于探测激光共焦信号，上述器件均以空间光路集成于一个测量探头中；
白光干涉装置采用Mach-Zehnder结构，在其参考光路中依次设置了光纤环形器(17)、光延迟线(18)、第三光纤准直器(19)、反射镜(20)和压电陶瓷(21)；其中，光延迟线(18)和压电陶瓷(21)由计算机(10)控制，分别用于参考光路光程的粗调和精调，以迅速定位干涉位置并实现轴向扫描，并且，光纤环形器(17)连接于2×2光纤耦合器(6)和第二光纤准直器(8)之间。
2.根据权利要求1所述的用于光学元件加工质量在线检测的光纤干涉共焦系统，其特征在于，测量探头中还设置了多孔环带滤波器插件(15)，该多孔环带滤波器插件(15)设置于显微物镜(11)的前端，用于安装不同中心遮挡圆的环形滤波器，实现激光共焦高分辨率成像；测量探头安装于五维运动台(16)上，用于对其进行三维平移和二维旋转以实现高自由度位姿调整。
3.根据权利要求2所述的用于光学元件加工质量在线检测的光纤干涉共焦系统，其特征在于，工作时，打开宽带光源(1)，关闭激光光源(2)，多孔环带滤波器插件(15)置空，计算机(10)控制五维运动台(16)做三维平移和二维旋转，使测量探头以设定的高度垂直入射到待测光学元件(22)表面上，通过观察CCD相机(13)成像，使显微物镜(11)对焦到待测子孔径区域；控制光延迟线(18)和压电陶瓷(21)对干涉层进行轴向移动以选择设定的表面扫描范围，控制压电陶瓷(21)从设定高度开始向下进行表面形貌的扫描测量，获取子孔径区域表面面形、粗糙度参数以及亚表面损伤分布与类型；
关闭宽带光源(1)，在光延迟线(18)中对参考光路进行切断，打开激光光源(2)，在多孔环带滤波器插件(15)上选择设定的环形滤波器，根据上一步得到的亚表面损伤分布与类型，控制五维运动台(16)依次在损伤位置做轴向层析，获取子孔径区域亚表面损伤深度；
控制五维运动台(16)移动测量探头到下一个测量区域，重复上述操作，采用子孔径拼接算法，完成整个评估区域的测量。
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