CN108398098A - 一种光学表面间距非接触式测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种光学表面间距非接触式测量装置和方法，本发明通过扫频光学相干层析(SSOCT)原理进行光学间隔非接触式测量，单次测量深度可达数十毫米，对于大部分的光学系统可以一次探测完成多个光学表面同时测量，配合参考臂移动进行分段式测量实现大量程，且测量精度完全取决于系统轴向分辨率；本发明还进一步优化了测量光路，在可调焦测量臂增加调焦模组，根据样品参数选择合适的聚焦光路，可以更好的收集各光学表面的反射光信号，提高干涉信号强度；在可位移参考臂中增加消色差透镜，可调焦测量臂的调焦模组和可位移参考臂的透镜组都是消色差透镜，有利于进一步提高测量精度。

Description

一种光学表面间距非接触式测量装置和方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种光学表面间距非接触式测量装置和方法。

背景技术

透镜及透镜组是光学系统的关键组成部分，其中心厚度及透镜间隔加工及安装精度对光学系统的成像质量有着至关重要的作用。对于高精度的光学系统其重要性更是不言而喻的，对于中心厚度及间隔的测量主要有接触式和非接触两种方法。接触式测量方法是一种较为传统的测量方式，主要通过传统检具如百分表、千分表等，对镜片的中心顶点进行测量获得透镜厚度及相关透镜间隔。使用接触法寻找透镜中心存在较大的难度，且传统检具的测量精度本身有限，对于日益增长的精度要求越来越难以胜任。且绝大部分镜片都有镀层的要求，接触法对镜片存在损伤，不能满足此类镜片的测量要求，非接触式测量是唯一的方法。

现有技术中，“光学镜组镜面间隙测量装置和测量方法”(中国专利CN 105674902A)公开了一种利用低相干光干涉法进行非接触测量方法，此方法能够实现非接触式光学镜组镜面的厚度及间隙，但是测量精度主要依赖于激光测长模块，为获得更高的测量精度对激光测长模块的要求非常长高，并没有真正意义上使用低相干光干涉进行厚度及间距的测量，该技术中利用平衡探测器提高测量的信噪比进而提高测量的精度。

该方法通过平衡探测器和高精度的激光测长模块可以实现光学间隔的非接触式测量且获得较高的精度。使用平衡探测器虽然能够提高信噪比，但只能提高探测信号的信噪比，本身光路中的噪声仍然存在；其测量精度主要依靠激光测长模块，测量误差包含激光测长和低相干干涉两部分。

发明内容

针对以上问题，本发明旨在提供一种光学表面间距非接触式测量装置和方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光学表面间距非接触式测量装置，包括扫频宽带光源、红光指示光源、马赫-曾德干涉结构、迈克尔逊干涉结构、可调焦测量臂、可位移参考臂、数据采集卡、计算机和光纤；其中所述扫频宽带光源通过光纤与所述马赫-曾德干涉结构相连，所述马赫-曾德干涉结构通过光纤与所述迈克尔逊干涉结构相连，所述迈克尔逊干涉结构通过光纤分别与所述可调焦测量臂和可位移参考臂相连，所述迈克尔逊干涉结构通过光纤还与红光指示光源相连，所述迈克尔逊干涉结构还与数据采集卡电性连接，所述马赫-曾德干涉结构分别通过功率检测线路和波矢标定线路与数据采集卡电性连接，所述数据采集卡与所述计算机电性连接。

本发明还提供一种光学表面间隔非接触式测量方法，包括如下步骤：

S1、输入待测样品的设计参数；

S2、根据待测样品的设计参数调整可调焦测量臂的调焦模组，使得可调焦测量臂测量光束聚焦于待测样品最后一个光学表面上；

S3、根据待测样品的设计参数移动可位移参考臂获得第一个光学表面的干涉信号；

S4、移动可位移参考臂，使得相关干涉信号向零光程差处移动，在合适位置处获取探测深度内光学表面干涉信号，并记录可位移参考臂位移距离；

S5、若获取设计样品的待测光学表面相关的全部干涉信号，则执行步骤S6，否则重复步骤S4；所述干涉信号为待测光学表面中心轴向一维位置信息；

S6、对已得到的干涉信号进行傅里叶逆变换及数据处理，获取所需光学表面的间距值。

本发明一种光学表面间距非接触式测量装置和方法，本发明通过扫频光学相干层析(SSOCT)原理进行光学间隔非接触式测量，单次测量深度可达数十毫米，对于大部分的光学系统可以一次探测完成多个光学表面同时测量，配合参考臂移动进行分段式测量实现大量程，且测量精度完全取决于系统轴向分辨率；本发明还进一步优化了测量光路，在可调焦测量臂增加调焦模组，根据样品参数选择合适的聚焦光路，可以更好的收集各光学表面的反射光信号，提高干涉信号强度；在可位移参考臂中增加消色差透镜，可调焦测量臂的调焦模组和可位移参考臂的透镜组都是消色差透镜，有利于进一步提高测量精度。

附图说明

图1是本发明一种光学表面间距非接触式测量装置逻辑示意图；

图2是本发明一种光学表面间距非接触式测量装置的调焦模组；

图3是本发明一种光学表面间距非接触式测量装置的调焦示意图；

图4是本发明一种光学表面间距非接触式测量装置待测样品示意图；

图5是本发明一种光学表面间隔非接触式测量方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合图1-5具体说明本发明提供的一种光学表面间距非接触式测量装置和方法。

如图1-4所示，本发明提供一种光学表面间距非接触式测量装置，如图1所示，本发明测量装置包含扫频宽带光源1、红光指示光源2、马赫-曾德干涉结构3、迈克尔逊干涉结构4、可调焦测量臂5、可位移参考臂6、数据采集卡7、计算机8。其中所述扫频宽带光源1通过光纤与所述马赫-曾德干涉结构3相连，所述马赫-曾德干涉结构3通过光纤与所述迈克尔逊干涉结构4相连，所述迈克尔逊干涉结构4通过光纤分别与所述可调焦测量臂5和可位移参考臂6相连，所述迈克尔逊干涉结构4通过光纤还与红光指示光源2相连，所述迈克尔逊干涉结构4还与数据采集卡7电性连接，所述马赫-曾德干涉结构3分别通过功率检测线路和波矢标定线路与数据采集卡7电性连接，所述数据采集卡7与所述计算机8电性连接。

其中马赫-曾德干涉结构3包含3个1X2耦合器，分别为第一耦合器31、第二耦合器32、第三耦合器33，和第四耦合器34(2X2耦合器)，第一平衡光电探测器35，功率探测器36。其中所述第一耦合器31输入端通过光纤与扫频宽带光源1的输出端连接，所述第一耦合器31的输出端通过光纤分别与所述第二耦合器32、第三耦合器33的输入端连接，所述第二耦合器32的输出端通过光纤与功率探测器36输入端连接，所述功率探测器36通过功率探测线路与所述数据采集卡7连接，所述第三耦合器33的输出端通过两条长度不同的光纤与所述第四耦合器34的输入端连接，所述第四耦合器34的输出端通过两条光纤与所述第一平衡光电探测器35连接，所述第一平衡光电探测器35通过波矢标定线路与数据采集卡7电性连接。

其中，迈克尔逊干涉结构4包含第一环形器41，第五耦合器42(2X2耦合器)、波分复用器43、第二平衡光电探测器44。所述环形器的第一端口通过光纤与所述第一耦合器31连接，所述环形器第二端口通过光纤与所述第二平衡光电探测器44连接，所述环形器第三端口通过光纤与所述第五耦合器42连接，所述波分复用器43第一端口通过光纤与所述红光指示光源2输出端连接，所述波分复用器43第二端口通过光纤与所述第二平衡光电探测器44连接，所述波分复用器43第三端口通过光纤与所述第五耦合器42连接，所述第五耦合器42输出端通过光纤分别与可调焦测量臂5和可位移参考臂6连接。

可调焦测量臂5包含顺次通过光纤连接的第一偏振控制器51、第一准直器52、调焦模组53。其中所述第一偏振控制器51通过光纤与所述第五耦合器42连接。所述调焦模组53由三组胶合透镜组成，覆盖测量波段和指示波段两个波段，第三组胶合透镜具有移动调焦功能。调焦模组53根据待测透镜的设计参数将焦点汇聚于待测镜面的最后一个光学表面附近可有效收集待测样品各光学表面得到反射光信号。该模组设计波段包含指示光波段，消除指示光和测量光的色差，做到准确指示，极大的提高了测量精度，且测量光的主光线沿着待测样品的主光轴，调焦模组53调焦过程中不会改变各待测光学表面的光程差。现有技术中需要激光测长装置对参考臂的移动进行精准测量；而本发明使用扫频相干层析技术(SSOCT)可以同时获得多个光学表面的位置信息，结合调焦模组能够更有效的获得成像深度内的各个光学表面的干涉信息，不再需要额外的距离测量设备，即可完成精确测量，本发明基于此种改进测量不再依赖外部测长装置，且若待测光学表面间隔总长度在探测深度以内，则不需要移动参考臂就能实现测量需求。

可位移参考臂6包含顺次通过光纤连接的第二偏振控制器61、第二准直器62、中性滤波器63、消色差透镜64、反射镜65。其中所述第二偏振控制器61通过光纤与所述第五耦合器42连接。所述消色差透镜64覆盖测量光波段，以提高测量结果的准确性，所述消色差透镜64和反射镜65一起移动。本发明采用在可位移参考臂中增加消色差透镜。在本发明实施例中需要移动参考臂，其主要原因是激光器能够单次测量距离在100mm左右，故需要移动参考臂以扩大测量范围；在具体使用过程中，具有更高相干长度的激光器即可实现单次更大量程的测量。

为了更清楚的阐述本发明的技术方案，从功能作用出发本发明主要包含两个功能模块，即波矢标定模块和干涉测长模块，分别采用光纤化马赫-曾德干涉和迈克尔逊干涉结构4。扫频宽带光源1发出光先经马赫-曾德干涉结构3中第一耦合器31分光后，一部分用于光源波矢线性化标定，另一部分进入迈克尔逊干涉结构4用于光学间隔测量。用于波矢标定的光先经过第二耦合器32分为两路，一路进入第一功率探测器36产生电信号由数据采集卡7采集经计算机8数据处理检测光功率；另一路光依次进第三耦合器33，经过不同光程差的光纤后进入第四耦合器34产生干涉信号后进入第一平衡光电探测器35产生电信号，由数据采集卡7采集经计算机8数据处理进行波矢标定。进入迈克尔逊干涉结构4的光先经过第一环形器41进入第五耦合器42分成两路光，分别进入可调焦测量臂5和可位移参考臂6。进入可调焦测量臂5的光依次经过第一偏振控制器51、第一准直器52、调焦模组53；进入可位移参考臂6的光依次经过第二偏振控制器61、第二准直器62、中性滤波器63、消色差透镜64、反光镜；两路反射光经第五耦合器42汇合后产生干涉信号后分成两束光，分别经第二环形器和波分复用器43、由第二平衡探测器产生电信号被数据采集卡7采集经计算机8数据处理获得相关测量数据。

如图5所示，本发明还提供一种光学表面间隔非接触式测量方法，包括如下步骤：

S1、输入待测样品的设计参数；

S2、根据待测样品的设计参数调整可调焦测量臂的调焦模组，使得可调焦测量臂测量光束聚焦于待测样品最后一个光学表面上；

S3、根据待测样品的设计参数移动可位移参考臂获得第一个光学表面的干涉信号；

S4、移动可位移参考臂，使得相关干涉信号向零光程差处移动，在合适位置处获取探测深度内光学表面干涉信号，并记录可位移参考臂位移距离；

所述步骤S4具体包括：

S41、使第一个光学表面干涉信号移动距离Δl，且Δl小于探测深度，获得一组干涉信号信息；

S42、观察步骤S41中的干涉信号(如P1，P2)，并按照步骤S6中所述方法记录可位移参考臂相关位移信息m_ji，j∈{1,2,……,n},i＝1or2，及相关光学表面间距l_i，i∈{1,2,……,N-1}。

S5、若获取设计样品的待测光学表面相关的全部干涉信号，则执行步骤S6，否则重复步骤S4；所述干涉信号为待测光学表面中心轴向一维位置信息；

S6、对已得到的干涉信号进行傅里叶逆变换及数据处理，获取所需光学表面的间距值。

所述步骤S6具体包括：

S61、对可位移参考臂一次移动过程中所有干涉信号进行傅里叶变换，对应干涉信号的包络中心的轴向位置极值点为对应光学表面位置，计算出对应光学表面的位置信息z_i(如z₁、z₂),i∈{1,2,……,N}；

S62、计算相邻光学表面间距值及可位移参考臂位移距离，并记第i个相邻光学表面间距为l_i，可位移参考臂位移距离为M_j，计算公式为其中，n_i为待测位置间隔的折射率，M_j＝δz(m_j1-m_j2),j∈{1,2,……,n-1}，δz为轴向分辨率。

其中，所述干涉信号数据处理过程如下：

其可位移参考臂及可调焦测量臂的探测到的电场强度可以表示为：

E_r＝a_Rexp(i2kr)

干涉信号表示为：

其中，a(z)为样品内部的后向散射强度，S(k)为光源的光功率。可见其干涉信号是一个傅里叶变换，进一步表示为：

因此，通过一个傅里叶逆变换解调得到样品内部的后向散射信息，从而实现了对样品内部的层析成像，傅里叶逆变换为：

其中第二项包含了样品内部各光学表面的位置信息。

由上所述，干涉信号包络层析信号轴向灰度极值点即为对应光学表面位置，由于位置信息和像素信息是一一对应的，故可以通过标准间隔标定及相关插值算法将轴向像素分辨率进行标定。

由于采集到的干涉信号是关于波长分布而信号处理是关于波矢分布的，故在实际使用前需要对采集到的干涉信号进行k空间均匀化，这里使用时域插值法。

在插值前需要进行光谱标定，其方法是基于干涉信号条纹分析的方法，即利用平面镜作为样品所产生的光谱信号进行希尔伯特变换得到干涉光谱的相位。

时域插值法简单推导过程如下：

探测器采集到的新号为x₁(n),n∈[0,N-1]，它所对应波长λ(n)在波长空间均匀分布。x₁(n)的离散傅里叶变换(Discrete FourierTransform,DFT)获得X₁(i)，并通过高频部分补零将X₁(i)扩展M倍长度序列：

将X₂(i)进行IDFT，并得到时域信号；

其中，x₂(s)是一个全新的时域序列，s是插值位置。因为洗礼中添加了一个点，所以需要M×N+1进行归一化。

根据离散傅里叶变化中的对称关系，且将X₂(i)带入x₂(s)，x₂(s)可表示为：

最后，时域插值方法可以表示为：

故时域插值方法是由原始数据和一个加权系数的卷积结果，且加权系数和数据无关，只与扩展倍数M及插值位置s相关。将M设为1，作为归一化系数，其中加权系统定义为：

因此，插值后的时域信号表示为：

通过计算得，加权系数大不凡权重都集中在插值附近位置其他位置贡献很小，为减少运算量，加权系数可以截断出小部分系数对数据进行插值，以s′为对称中心，两侧对称截断加权系数，故时域插值法可表示为：

一般取End-Begin＝L＝21。

根据样品的差异，选择合适的光源和检测硬件使得所有相邻光学表面都在探测深度以内，对于总光程差较大的镜头组，可以通过移动参考臂的方式进行分步测量的方法一一测出相邻参考面的距离。

作为一个较佳实施例，本发明本实施方案中采用扫频宽带光源的中心波长为1310nm，半峰值带宽为100nm，频率为20KHz，光学相干长度为7.57um；红光指示光源(2)波长为650nm，经实验验证本发明技术方案真实有效。

本发明一种光学表面间距非接触式测量装置和方法，本发明通过扫频光学相干层析(SSOCT)原理进行光学间隔非接触式测量，单次测量深度可达数十毫米，对于大部分的光学系统可以一次探测完成多个光学表面同时测量，配合参考臂移动进行分段式测量实现大量程，且测量精度完全取决于系统轴向分辨率；由于本发明设计波段包含指示光波段，消除指示光和测量光的色差，做到准确指示，极大的提高了测量精度，且测量光的主光线沿着待测样品的主光轴，调焦模组调焦过程中不会改变各待测光学表面的光程差。

本发明还进一步优化了测量光路，在可调焦测量臂增加调焦模组，根据样品参数选择合适的聚焦光路，可以更好的收集各光学表面的反射光信号，提高干涉信号强度；在可位移参考臂中增加消色差透镜，可调焦测量臂的调焦模组和可位移参考臂的透镜组都是消色差透镜，有利于进一步提高测量精度。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种光学表面间距非接触式测量装置，其特征在于，包括扫频宽带光源、红光指示光源、马赫-曾德干涉结构、迈克尔逊干涉结构、可调焦测量臂、可位移参考臂、数据采集卡、计算机和光纤；其中所述扫频宽带光源通过光纤与所述马赫-曾德干涉结构相连，所述马赫-曾德干涉结构通过光纤与所述迈克尔逊干涉结构相连，所述迈克尔逊干涉结构通过光纤分别与所述可调焦测量臂和可位移参考臂相连，所述迈克尔逊干涉结构通过光纤还与红光指示光源相连，所述迈克尔逊干涉结构还与数据采集卡电性连接，所述马赫-曾德干涉结构分别通过功率检测线路和波矢标定线路与数据采集卡电性连接，所述数据采集卡与所述计算机电性连接。

2.如权利要求1所述的光学表面间距非接触式测量装置，其特征在于，所述马赫-曾德干涉结构包括第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器和第四耦合器、第一平衡光电探测器和功率探测器；其中所述第一耦合器输入端通过光纤与扫频宽带光源的输出端连接，所述第一耦合器的输出端通过光纤分别与所述第二耦合器、第三耦合器的输入端连接，所述第二耦合器的输出端通过光纤与功率探测器输入端连接，所述功率探测器通过功率探测线路与所述数据采集卡连接，所述第三耦合器的输出端通过两条长度不同的光纤与所述第四耦合器的输入端连接，所述第四耦合器的输出端通过两条光纤与所述第一平衡光电探测器连接，所述第一平衡光电探测器通过波矢标定线路与数据采集卡电性连接。

3.如权利要求2所述的光学表面间距非接触式测量装置，其特征在于，所述迈克尔逊干涉结构包括环形器、第五耦合器、波分复用器、第二平衡光电探测器；所述环形器的第一端口通过光纤与所述第一耦合器连接，所述环形器第二端口通过光纤与所述第二平衡光电探测器连接，所述环形器第三端口通过光纤与所述第五耦合器连接，所述波分复用器第一端口通过光纤与所述红光指示光源输出端连接，所述波分复用器第二端口通过光纤与所述第二平衡光电探测器连接，所述波分复用器第三端口通过光纤与所述第五耦合器连接，所述第五耦合器输出端通过光纤分别与可调焦测量臂和可位移参考臂连接。

4.如权利要求3所述的光学表面间距非接触式测量装置，其特征在于，所述可调焦测量臂包括顺次通过光纤连接的第一偏振控制器、第一准直器、调焦模组；其中所述第一偏振控制器通过光纤与所述第五耦合器连接。

5.如权利要求3所述的光学表面间距非接触式测量装置，其特征在于，所述可位移参考臂包括顺次通过光纤连接的第二偏振控制器、第二准直器、中性滤波器、消色差透镜和反射镜；其中所述第二偏振控制器通过光纤与所述第五耦合器连接。

6.如权利要求4所述的光学表面间距非接触式测量装置，其特征在于，所述调焦模组由三组胶合透镜组成，覆盖测量波段和指示波段两个波段，第三组胶合透镜具有移动调焦功能。

7.如权利要求5所述的光学表面间距非接触式测量装置，其特征在于，所述消色差透镜覆盖测量光波段，所述消色差透镜和反射镜一起移动。

8.一种光学表面间隔非接触式测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、输入待测样品的设计参数；

S2、根据待测样品的设计参数调整可调焦测量臂的调焦模组，使得可调焦测量臂测量光束聚焦于待测样品最后一个光学表面上；

S3、根据待测样品的设计参数移动可位移参考臂获得第一个光学表面的干涉信号；

S4、移动可位移参考臂，使得相关干涉信号向零光程差处移动，在合适位置处获取探测深度内光学表面干涉信号，并记录可位移参考臂位移距离；

S5、若获取设计样品的待测光学表面相关的全部干涉信号，则执行步骤S6，否则重复步骤S4；所述干涉信号为待测光学表面中心轴向一维位置信息；

S6、对已得到的干涉信号进行傅里叶逆变换及数据处理，获取所需光学表面的间距值。

9.根据权利要求8所述的光学表面间距非接触式测量方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

S41、使第一个光学表面干涉信号移动距离Δl，且Δl小于探测深度，获得一组干涉信号信息；

S42、观察步骤S41中的干涉信号(如P1，P2)，并按照步骤S6中所述方法记录可位移参考臂相关位移信息m_ji，j∈{1,2,……,n},i＝1or2，及相关光学表面间距l_i，i∈{1,2,……,N-1}。

10.根据权利要求8所述的光学表面间距非接触式测量方法，其特征在于，所述步骤S6包括：

S61、对可位移参考臂一次移动过程中所有干涉信号进行傅里叶变换，对应干涉信号的包络中心的轴向位置极值点为对应光学表面位置，计算出对应光学表面的位置信息z_i(如z₁、z₂),i∈{1,2,……,N}；

S62、计算相邻光学表面间距值及可位移参考臂位移距离，并记第i个相邻光学表面间距为l_i，可位移参考臂位移距离为M_j，计算公式为其中，n_i为待测位置间隔的折射率，M_j＝δz(m_j1-m_j2),j∈{1,2,……,n-1}，δz为轴向分辨率。

11.根据权利要求8所述的一种光学表面间距非接触式测量方法，其特征在于，所述干涉信号数据处理过程如下：

其可位移参考臂及可调焦测量臂的探测到的电场强度可以表示为：

E_r＝a_Rexp(i2kr)

E_s＝∫₀ ^∞a(z)exp(i2k[r+n(z)z])dz

干涉信号表示为：

其中，a(z)为样品内部的后向散射强度，S(k)为光源的光功率。可见其干涉信号是一个傅里叶变换，进一步表示为：

因此，通过一个傅里叶逆变换解调得到样品内部的后向散射信息，从而实现了对样品内部的层析成像，傅里叶逆变换为：

其中第二项包含了样品内部各光学表面的位置信息。