CN109655012A - 一种光学界面面型测量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用超短脉冲激光对多界面目标体的界面面型进行测量的方法。包括步骤：选择超短脉冲激光光源；超短激光脉冲经光谱滤波后，进入迈克尔逊干涉仪，被分光镜分为两束光，一束光由参考镜反射进入干涉光接收系统作为参考光；另一束则由目标体待测界面反射进入干涉光接收系统作为信号光；调节迈克尔逊干涉仪参考臂长度或测量臂长度，使得参考光只与目标体待测界面反射回来的信号光产生干涉，而不会与目标体的其它界面反射回来的信号光产生干涉，计算机系统根据采集到的双界面干涉条纹得出待测界面的面型。本发明通过利用超短脉冲之间的相干特性，实现对多界面目标体的界面面型测量，是一种新型的测量方法，具有简单、稳定、效率高等特点。

Description

一种光学界面面型测量的方法
技术领域
本发明属于面型测量领域，具体涉及一种光学界面面型测量的方法。
背景技术
近几十年来，光学技术得到极大的发展，在工业应用、国民经济中发挥越来越重要的作用。在光学领域中，多界面光学元件是一种主要的光学元件，它每个界面的面型对光场传输的相位有重要影响。因此，多界面光学元件面型的测量显得日益重要。
多界面光学元件的面型测量中，常采用干涉测量方法。由于存在多个光学界面，每个光学界面反射回来的光波都会与参考面光波产生干涉，因此条纹采集系统上的干涉条纹由多界面的干涉条纹组成，这给波面复原带来了极大的困难，采用传统的相移算法会产生较大的误差。针对这种情况，常用的方法是在元件后表面涂上凡士林或消光漆等折射率匹配物质实现消除反射光，但是会给光学元件带来污染，且无法消除光学元件内部光学界面的反射。如果采用波长调谐相移法或波长调谐时域傅里叶变换法，则需要采集多副干涉条纹，且算法复杂，存在检测速度低、成本高的缺点。
为了解决上述问题，本发明提出了一种利用超短脉冲激光测量多界面目标体界面面型的方法，该方法相比于消除反射光方法和波长调谐相移法等方法，具有检测速率快、成本低、系统简单可靠的优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种多界面目标体的界面面型测量的方法，该方法采用超短脉冲激光做探测光，通过调节参考臂或测量臂的长度，使得参考光只与目标体待测面反射回来的信号光产生干涉，而不会与目标体其它界面反射回来的参考光产生干涉。对干涉条纹进行傅里叶变换得到频谱信息，然后再进行逆傅里叶变换，得出待测界面的面型特征。
本发明涉及一种多界面目标体的界面面型测量的方法，采用超短脉冲激光做探测光，通过调节迈克尔逊干涉仪的参考臂长度或测量臂长度，实现干涉条纹只含有待测界面的面型信息，而不包含目标体其它界面的面型信息。这一特征包括以下步骤：
S101选择超短脉冲激光；
S102激光脉冲通过滤光片，实现光谱滤波；
S103滤波后的激光脉冲进入迈克尔逊干涉仪；
S104通过调节迈克尔逊干涉仪中参考臂长度，获取参考光和待测界面返回的信号光的干涉条纹；
S105根据S104获取的干涉条纹，得出待测光学界面的面型特征。
上述一种光学界面面型测量的方法，其特征在于所述光源为超短脉冲激光，且脉宽短于纳秒，可以由固体激光器、气体激光器、光纤激光器、半导体激光器等输出。
上述一种光学界面面型测量的方法，其特征在于所述滤光片为窄带滤光片。
上述一种光学界面面型测量的方法，其特征在于通过调节参考臂长度或测量臂长度，实现参考光只与目标体待测界面反射回来的信号光产生干涉，而不会与目标体的其它界面反射回来的信号光产生干涉。
上述一种光学界面面型测量的方法，其特征在于所述干涉条纹包含了待测光学界面的面型特征。
上述一种光学界面面型测量的方法，其特征在于所述待测界面面型是根据所采集干涉条纹得出，即对干涉条纹进行傅里叶变换得到频谱信息，然后再进行逆傅里叶变换等操作得出待测界面的面型。
由于以上技术方案的实施，本发明具有如下优点：
本发明通过采用超短脉冲激光做探测光，通过调节迈克尔逊干涉仪的参考臂长度或测量臂长度，实现干涉条纹只含有待测界面的面型信息，而不包含目标体其它界面的面型信息。该方法相比于消除反射光方法和波长调谐相移法等方法，具有检测速率快、成本低和系统简单可靠的优点。
附图说明
图1是本发明所述一种光学界面面型测量的方法流程图。
图2是本发明所述一种光学界面面型测量的方法装置图。图中：1-超短脉冲激光，2-滤光片，3-光学匹配系统，4-分光镜，5-参考镜，6-电控移动平移台，7-待测目标体，8-光学匹配系统，9- CCD探测器，10-PC计算机。
图3是待测目标体，该目标体有2个界面：界面21和界面22。
具体实施方式
本发明为一种采用超短脉冲激光测量目标体光学界面面型的方法，该方法通过移动参考臂长度或测量臂长度，使参考光只与目标体上待测光学界面的反射光产生干涉，根据干涉条纹得出待测光学界面的面型。
本发明所述的使参考光只与目标体上待测光学界面的反射光产生干涉的方式有两种。一种是测量臂固定，参考镜放置在电控移动平移台上，通过电控移动平移台调节参考臂长度，由远及近或由近及远调节参考臂长度，在CCD探测器上可依次观察到参考镜和目标体的光学界面反射回来的信号光干涉产生的条纹，每个目标体光学界面都与参考镜移动到特定位置产生的干涉条纹一一对应。另一种是参考臂固定，待测目标放置在电控移动平移台上，通过电控移动平移台调节测量臂长度，由远及近或由近及远调节测量臂长度，在CCD探测器上可依次观察到参考臂和目标体光学界面反射回来的信号光干涉产生的条纹，每个目标体光学界面都与目标体移动到特定位置产生的干涉条纹一一对应。
图2是本发明所述一种光学界面面型测量的方法装置图。超短脉冲激光1发出激光脉冲通过滤光片2后，光谱宽度减小，激光脉冲经过光学匹配系统3后得到准直和扩束，经分光镜4后分为透射激光脉冲和反射激光脉冲。透射激光脉冲经参考镜5反射到分光镜4，再经分光镜4反射，通过光学匹配系统8缩束，进入CCD探测器9。反射激光脉冲经目标体7的光学界面反射到分光镜4，再经分光镜4透射，通过光学匹配系统8缩束，进入CCD探测器9。在CCD探测器9中，如果透射激光脉冲和反射激光脉冲相遇，则产生干涉条纹，经PC计算机处理，得出目标体光学界面面型。
图3是目标体7，它有2个界面，激光脉冲经分光镜4反射到目标体7上，经界面21和界面22分别反射，形成2个脉冲。界面21反射的脉冲携带了界面21的面型信息，界面22反射的脉冲携带了界面22的面型信息。目标体7有一定的厚度，通过选择脉冲时间宽度足够窄的超短脉冲激光1，则界面21反射的激光脉冲和界面22反射的激光脉冲抵达CCD探测器9的时间是分开的。因此通过调节电控平移台6，可控制参考镜5反射的激光脉冲到达CCD探测器9的时间，实现参考面5反射激光脉冲只与界面21反射的激光脉冲相遇产生干涉条纹，或只与界面22反射的激光脉冲相遇产生干涉条纹。
本发明所述的干涉条纹为空间载频干涉条纹，条纹包含了待测面型的信息，通过相位解调技术可求解出面型相位，然后可通过相位推算出面型。
具体步骤如下：
1.对采集到的干涉条纹截取有效部分，进行去噪等预处理；
2.对预处理后的干涉条纹进行傅里叶变换，频谱滤波后，提取正一级谱；
3.将正一级谱移动至中心零频位置，然后进行傅里叶逆变换，得到截断的待测相位；
4.对截断的待测相位进行解包裹，恢复原有的相位形貌；
5.将恢复出的相位映射成界面面型。
在本案例中，x与y方向不具有特殊性，故这里只讨论x方向的载频模型。典型的干涉条纹图可用下式表达：
在公式（1）中，a(x,y)为条纹的背景，b(x,y)为条纹的调制度，f 0x 为x方向的空间载频，ϕ(x,y)为待测相位。令c(x,y)= b(x,y)exp[i ϕ(x,y)]/2,则公式（1）可写为（其中“*”表示共轭）：
对公式（2）两边做傅里叶变换可得：
其中，G(f,y)、A(f,y)、C(f-f 0,y)、C *( f+f 0,y)分别为公式（2）中对应各项的傅里叶变换;
将公式（3）中包含待测相位的频谱C(f-f 0,y)使用一个合适的滤波窗口选择出来，然后移动到零频位置得到C(f,y)，再进行傅里叶逆变换
将公式（4）带入到公式（5）中，即得到截断的相位
其中Im[*]和Re[*]分别指的是取虚部和实部运算。注意到公式（5）得到的相位是被截断在[-π,+π]之间的，故要得到最终的分布还需要对相位进行解包裹
将公式（6）带入到公式（7）中，通过相位对应关系可计算出待测界面面型
实施例1
本实施例中超短脉冲激光1采用的CoherentLegend激光器，中心波长800nm，脉宽60fs，重频1-1000Hz可调，单脉冲能力1.5 mJ；滤光片2采用Thorlabs公司的 FB800-10滤光片；光学匹配系统3采用放大倍数为10倍的望远镜系统；分光镜4采用的是大恒光电公司的GCC-4111系列普通宽带分光平片，透射率与反射率之比为3:7；参考镜5采用的是定制的精密光学平面反射镜，直径50.8 mm，表面平整度λ/20,在700-900 nm反射率大于99%；电控移动平移台6采用的是大恒光电公司的GCD-101050M小型电控位移台；待测目标体是两面抛光的厚度为3 mm的熔融石英平面镜；光学匹配系统8采用放大倍数为8倍的望远镜系统；CCD探测器采用像素为1024×1280的MVC-Ⅱ1M面阵CCD探测器；PC计算机10为笔记本电脑。
按照如图2所示的光路连接好各个光学元件，超短脉冲激光经滤光片滤波后，在光学匹配系统中得到准直和扩束。经分光镜分光，进入参考臂的透射光和进入测量臂的反射光的能量比为3:7。进入参考臂的激光脉冲依次经参考镜反射和分光镜反射，进入CCD探测器，对应时间为t。进入测量臂的激光脉冲到达待测目标体上，在界面21和界面22上依次反射会一个激光脉冲，界面21反射脉冲到达CCD探测器的时间为t 1，界面22反射脉冲到达CCD探测器的时间为t 2。如果需要测量界面21的面型，则调节电控平移台，使得参考臂激光脉冲到达CCD探测器的时间t等于t 1，则在CCD探测器上可观察到参考面反射激光脉冲和界面21反射激光脉冲的干涉条纹，由于界面21和界面22反射的两个激光脉冲是分开的，因此参考面反射激光脉冲不会与界面22反射的激光脉冲产生干涉条纹。如果需要测量界面22的面型，采用与前述类似方法，调节电控平移台，使得参考臂激光脉冲到达CCD探测器的时间t等于t 2，则在CCD探测器上可观察到参考面反射激光脉冲和界面22反射激光脉冲的干涉条纹，由于界面21和界面22反射的两个激光脉冲是分开的，因此参考面反射激光脉冲不会与界面21反射的激光脉冲产生干涉条纹。通过上述方法，解决了多界面目标体在面型测量中的多界面光束干涉的难题。CCD探测器采取干涉条纹，送入PC计算机，采取前述简单的数学处理，从而得出待测界面的面型。
综上所述可以通过采用超短激光，通过调节参考镜反射激光脉冲到达CCD探测器的时间，使得探测激光脉冲只与待测界面反射激光脉冲产生干涉条纹，极大简化了测量手段，可对多界面目标体的界面面型进行快速、准确的测量。

Claims (6)

1.一种光学界面面型测量的方法，其特征在于采用超短脉冲激光，通过迈克尔逊干涉仪结构，实现对多界面目标体的界面面型进行测量，包括以下步骤：
S101选择超短脉冲激光；
S102激光脉冲通过滤光片，实现光谱滤波；
S103滤波后的激光脉冲进入迈克尔逊干涉仪；
S104通过调节迈克尔逊干涉仪中参考臂长度，获取参考光和待测界面返回的信号光的干涉条纹；
S105根据S104获取的干涉条纹，得出待测光学界面的面型。
2.根据权利要求1所述一种光学界面面型测量的方法，其特征在于所述光源为超短脉冲激光，且脉宽短于纳秒，可以由固体激光器、气体激光器、光纤激光器、半导体激光器等输出。
3.根据权利要求1所述一种光学界面面型测量的方法，其特征在于所述滤光片为窄带滤光片。
4.根据权利要求1所述一种光学界面面型测量的方法，其特征在于通过调节参考臂长度或测量臂长度，实现参考光只与目标体待测界面反射回来的信号光产生干涉，而不会与目标体的其它界面反射回来的信号光产生干涉。
5.根据权利要求1所述一种光学界面面型测量的方法，其特征在于所述干涉条纹包含了待测光学界面的面型。
6.根据权利要求1-5所述一种光学界面面型测量的方法，其特征在于所述待测界面面型是根据所采集干涉条纹得出，即对干涉条纹进行傅里叶变换得到频谱信息，然后再进行傅里叶逆变换等操作得出待测界面的面型。
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