CN111351640B - 基于双光梳干涉测量法的光学镜片质量检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，公开了一种基于双光梳干涉测量法的光学镜片质量检测系统及方法，系统包括光源系统、干涉测量系统、信号处理系统。光源系统包括第一光学频率梳和第二光学频率梳，用于产生重复频率满足外差拍频条件的两束激光；干涉测量系统中，第一光学频率梳的输出信号被分为测量光束和参考光束两束光，其中，测量光束入射到待测光学镜片后，与参考光束重合；重合后的测量光束和参考光束与第二光学频率梳的输出光束再次重合后分为两束，分别被探测器的两个探测窗口探测；信号处理系统用于根据探测器的探测信号，计算得到待测光学镜片的厚度和折射率。本发明可以同时测量玻璃镜片的厚度和折射率，并实现玻璃镜片的二维表征。

Description

基于双光梳干涉测量法的光学镜片质量检测系统及方法

技术领域

本发明涉及光学镜片质量检测领域，具体涉及一种基于双光梳干涉测量法的光学镜片质量检测系统及方法。

背景技术

自2005年诺贝尔物理学奖揭晓以来，光学频率梳的性能一直在不断被完善，以应对不同的科学挑战，其应用为众多的基础科学和工程应用领域带来了革命性的进步，取得了令人瞩目的成就，被广泛应用到精密光谱学，传感，距离计量，层析成像，电信等领域。

随着精密测量领域的迅速发展，实验研究者对光学系统质量和精度的要求越来越高，为了保证光学系统成像的质量，精确检测光学镜片的质量显得越来越重要，对于一个光学镜片来说，厚度和折射率是其最重要的光学特征。折射率与设计不匹配将直接影响光束质量和成像测量，同样，如果厚度均匀性太差也将会影响正常的实验研究。为了实现光学玻璃镜片厚度和折射率的精确测量，科学家们提出了多种多样的方法，包括接触式测量法和非接触式测量法，其中接触式测量方法有着方便廉价的优势，但也容易划伤样本表面，造成样本的损坏。非接触式测量法包括测角法和干涉法两种，测角法要求测量样品制备成特殊形状，因此一般采用小口径样品代替大口径玻璃折射率,但是小口径样品无法完全表征大口径玻璃折射率，无法实现实时在线检测，测量系统复杂，调试困难。基于干涉法的测量系统一般包含可动的扫描台，会引入机械误差，且扫描台的扫描范围直接决定了最大的可测样本厚度，无法实现任意玻璃样品的测量。

发明内容

为了克服目前存在的技术难题，本发明提出了一种测量精度高，操作方便的基于双光梳干涉测量法的光学镜片质量检测系统及方法，以实现任意大小和任意形状的光学镜片厚度和折射率的测量，实时在线的进行光学镜片的二维表征，对其质量进行精确检测。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于双光梳干涉测量法的光学镜片质量检测系统，包括光源系统、干涉测量系统和信号处理系统；

所述光源系统包括第一光学频率梳和第二光学频率梳，用于产生重复频率满足外差拍频条件的两束激光；

所述干涉测量系统中，第一光学频率梳的输出光束被分为测量光束和参考光束两束光，其中，测量光束入射到待测光学镜片后，与参考光束重合；重合后的测量光束和参考光束与第二光学频率梳的输出光束再次重合后分为两束，分别被探测器的两个探测窗口探测；

所述信号处理系统用于根据所述探测器探测获得的干涉信号，计算得到待测光学镜片的厚度和折射率。

所述干涉测量系统包括第一半波片，第一四分之一波片，第一分光元件，第一反射镜，第二反射镜，第二分光元件，第二半波片，第二四分之一波片，第三分光元件，第三半波片，第四分光元件，第三反射镜和探测器；

所述第一光学频率梳发出的光，首先经过第一半波片和第一四分之一波片，然后经过第一分光元件分成参考光束和测量光束，其中测量光束经过第一反射镜后与待测光学镜片发生作用，然后再通过第二反射镜后，与参考光束通过第二分光元件重合；所述第二光学频率梳发出的光，依次经过第二半波片、第二四分之一波片后，通过第三分光元件与重合后参考光束和测量光束再次重合，再次重合后的光束依次经过第三半波片和第四分光元件后分成两束，其中一束进入探测器的一个探测窗口，另一束通过第三反射镜进入探测器的另一个探测窗口。

所述干涉测量系统还包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜设置在待测光学镜片前方，用于将测量光束聚焦在待测光学镜片表面，所述第二透镜设置在待测光学镜片后方，用于将与待测光学镜片作用后的测量光束会聚成平行光束。

所述信号处理系统包括滤波元件，信号处理单元和显示屏；从探测器获得的干涉信号首先经过滤波元件滤波后，然后经过信号处理单元计算得到待测光学镜片的厚度和折射率后，传输到显示屏显示。

所述滤波元件包含抗混叠滤波器和射频滤波器，所述抗混叠滤波器为频率为30MHz的低通滤波器，用于从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息；所述射频滤波器为插入损耗低于3dB的低通滤波器。

所述的一种基于双光梳干涉测量法的光学镜片质量检测系统，还包括用于安装待测光学镜片的光学镜片安装架，所述光学镜片安装架上设置有多个不同形状、不同大小的光学镜片安装区；所述光学镜片安装架中心设置有通孔，调节旋钮端部设置有螺纹，固定在二维平移台上的支撑立柱上设置有螺纹孔，调节旋钮穿过光学镜片安装架中心的通孔设置在支撑立柱上的螺纹孔内，将光学镜片安装架固定安装在二维平移台上。

另一方面，本发明还提供了一种基于双光梳干涉测量法对光学镜片进行质量检测的方法，采用所述的一种基于双光梳干涉测量法的光学镜片质量检测系统实现，包括以下步骤：

S1、在干涉测量系统中未设置待测光学镜片的情况下获得干涉信号IGM1，其中包括参考信号1和测量信号1，然后将待测光学镜片放置在干涉测量系统中的测量光路中，获得干涉信号IGM2，其中包括参考信号2和测量信号2，其中在测量信号2中包括基波信号fund和一次回波信号echo；

S2、傅里叶变换分析：通过调节采集时间，对干涉信号IGM1和IGM2进行筛选，得到对应的参考信号1和测量信号1，以及参考信号2和测量信号2中的基波信号和一次回波信号，将选取出的干涉信号进行快速傅里叶变换处理，然后计算获得基波信号展开相位的斜率

和一次回波信号的展开相位的斜率

S3、厚度计算：计算光学镜片的厚度D，计算公式为：

其中，n_air是空气的折射率，c表示光速，

λ为激光波长；

S4、折射率计算：计算光学镜片的折射率n(ω)，计算公式为：

所述的一种基于双光梳干涉测量法对光学镜片进行质量检测的方法，还包括二维表征的步骤，其具体方法为：以0.5mm的间隔对待测光学镜片进行二维扫描，重复S1-S4的步骤，在二维方向上获得待测光学镜片不同位置的厚度和折射率，对待测光学镜片进行二维表征。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

与含有迈克耳逊干涉仪的传统傅里叶变换光谱仪相比，本发明采用双光梳干涉仪，其在光谱分辨率、采样时间以及信噪比方面都有更优越的性能，同时，双光梳光谱由于对样品没有任何特殊要求，可对样品进行无损检测，特别是其高重现度、高精度的测量优势，可以用于样品的精确测定，具有准确、高效的特点。因此，本发明提供的基于双光梳干涉测量法的光学镜片质量检测系统及方法，不仅可以通过二维扫描在二维方向上获得待测光学镜片任意位置的厚度和折射率，实现光学镜片的二维表征，对光学镜片进行质量检测；而且此发明具有普遍性，可以实现对任意大小、任意形状、任意厚度的光学镜片的质量检测，测量不确定度达到10^-4，超过其它方法的测量极限，同时，测量操作简单，有益于设备集成，可实时在线现场检测；这些结果证明，本发明将成为光学镜片质量检测的有力工具。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于双光梳干涉测量法对光学镜片进行质量检测的系统的结果示意图；

图2为自行设计的多功能光学镜片安装架的示意图，可实现多种不同大小、不同形状、不同厚度的待测光学镜片安装；

图3为本发明实施例中获得的干涉信号图；

图4为本发明实施例中通过傅里叶变换获得基波信号和一次回波信号的展开相位图；

其中：1为第一光学频率梳，2为第二光学频率梳，3为第一半波片，4为第一四分之一波片，5为第一分光元件，6为第一反射镜，7为第一透镜，8为待测光学镜片，9为第二透镜，10为第二反射镜，11为第二分光元件，12为第二半波片，13为第二四分之一波片，14为第三分光元件，15为第三半波片，16为第四分光元件，17为第三反射镜，18为探测器，19为多功能光学镜片安装架，20为二维平移台，21为滤波元件，22为信号处理单元，23为显示屏，24为调节旋钮，25为支撑立柱。

在多功能光学镜片安装架19中，19-1、19-3和19-5用于安装不同大小的圆形光学镜片，19-2用于安装半圆形光学镜片，19-4用于安装方形光学镜片，19-6用于安装锥形光学镜片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于双光梳干涉测量法的光学镜片质量检测系统，包括光源系统I、干涉测量系统Ⅱ和信号处理系统Ⅲ。

所述光源系统I包括第一光学频率梳1和第二光学频率梳2，用于产生用于产生重复频率满足外差拍频条件的两束激光；所述干涉测量系统Ⅱ中，第一光学频率梳1的输出信号被分为测量光束和参考光束两束光，其中，测量光束入射到待测光学镜片8后，与参考光束重合；重合后的测量光束和参考光束与第二光学频率梳2的输出光束再次重合后分为两束，分别被探测器18的两个探测窗口探测；所述信号处理系统Ⅲ用于根据所述探测器18探测获得的干涉信号，计算得到待测光学镜片8的厚度和折射率。

具体地，如图1所示，其中，所述光源系统I包括第一光学频率梳1和第二光学频率梳2，用于产生重复频率有微小的频差的两束激光。所述干涉测量系统Ⅱ包括第一半波片3，第一四分之一波片4，第一分光元件5，第一反射镜6，第一透镜7，第二透镜9，第二反射镜10，第二分光元件11，第二半波片12，第二四分之一波片13，第三分光元件14，第三半波片15，第四分光元件16，第三反射镜17，探测器18，多功能光学镜片安装架19，二维平移台20。所述信号处理系统Ⅲ包括滤波元件21，信号处理单元22，显示屏23，其中滤波元件包含抗混叠滤波和射频滤波，信号处理单元包括干涉信号获得、傅里叶变换分析、厚度计算、折射率计算、二维表征五个步骤。

所述第一光学频率梳1发出的光，首先经过第一半波片3和第一四分之一波片4，然后经过第一分光元件5分成参考光束和测量光束，其中测量光束经过第一反射镜6，第一透镜7聚焦，与待测光学镜片8发生作用，然后再通过第二透镜9和第二反射镜10，最后再经过第二分光元件11与参考光束重合；所述第二光学频率梳2发出的光，首先经过第二半波片12和第二四分之一波片13，然后通过第三分光元件14与第一光学频率梳的参考光束和测量光束重合后的光束再次重合，两个光学频率梳重合后的光束再经过第三半波片15和第四分光元件16分成两束，其中一束进入探测器18的一个探测窗口，另一束通过第三反射镜17进入探测器18的另一个探测窗口。

其中，第一透镜7用于将测量光束聚焦在待测光学镜片表面，增加测量光束与待测光学镜片间的作用，第二透镜用于将会聚后发散的光束重新会聚成平行光束。

具体地，如图1所示，所述信号处理系统Ⅲ包括滤波元件21，信号处理单元22和显示屏23。从探测器获得的干涉信号首先经过滤波元件21滤波后，然后经过信号处理单元22内的信号处理软件计算得到待测光学镜片8的厚度和折射率后，传输到显示屏23显示。

进一步地，所述滤波元件21包含抗混叠滤波器和射频滤波器，所述抗混叠滤波器为频率为30MHz的低通滤波器，用于从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息；所述射频滤波器为插入损耗低于3dB的低通滤波器，允许一定范围内的低频信号通过并衰减(抑制)该频率范围以外的信号。

具体地，本实施例中，光学频率梳1和光学频率梳2的重复频率f_rep1和f_rep2有微小的频差Δf，即f_rep2-f_rep1＝Δf，且满足Δf＜＜f_rep1以及Δf＜＜f_rep2，这一重复频率上的微小差别将会导致两列锁模脉冲时域周期有

的延迟。具体地，光学频率梳1和光学频率梳2的重复频率f_rep1和f_rep2的量级为MHz量级，其频率差Δf在Hz量级。两个光学频率梳的重复频率上的微小差别会导致两台光学频率梳的两列锁模脉冲时域周期有一定的延迟，然后两台光梳的梳齿一一对应进行相干外差拍频，实现频谱信息的下转换，提高测量精度。

具体地，本实施例中，探测器18使用的是Newport公司，型号为1817-FS的InGaAs宽带快速平衡零拍探测器，可有效降低共模噪声，以便能够捕捉到微小信号，具有低噪声和高灵敏度等优势，是相干外差检测应用的理想选择。

进一步地，如图1和图2所示，本实施例提供的一种基于双光梳干涉测量法的光学镜片质量检测系统，还包括用于安装待测光学镜片8的光学镜片安装架19，所述光学镜片安装架19的四周设置有多个不同形状、不同大小的光学镜片安装区；所述光学镜片安装架19中心设置有通孔，调节旋钮24端部设置有螺纹，固定在二维平移台20上的支撑立柱25上设置有螺纹孔，调节旋钮24穿过光学镜片安装架19中心的通孔设置在支撑立柱25上的螺纹孔内，将光学镜片安装架19固定安装在二维平移台20上。因此，当需要更换不同光学镜片时，可以松开调节旋钮19，转动光学镜片安装架，既可以实现对不同安装区内的光学镜片的测量，此外，通过调节二维平移台，还可以实现对同一光学镜片的二维表征。

其中，如图2所示，在多功能光学镜片安装架19中，第一光学镜片安装区19-1、第三光学镜片安装区19-3和第五光学镜片安装区19-5用于安装不同大小的圆形光学镜片，第二光学镜片安装区19-2用于安装半圆形光学镜片，第四光学镜片安装区19-4用于安装方形光学镜片，第六光学镜片安装区19-6用于安装锥形光学镜片。

进一步地，本发明实施例还提供了上述的一种基于双光梳干涉测量法的光学镜片质量检测系统的检测方法，包括以下步骤：

S1、在干涉测量系统Ⅱ中未设置待测光学镜片的情况下获得干涉信号IGM1，其中包括参考信号1和测量信号1，然后将待测光学镜片放置在干涉测量系统Ⅱ中的测量光路中，获得干涉信号IGM2，其中包括参考信号2和测量信号2，其中在测量信号2中包括基波信号fund和一次回波信号echo。

从第一光学频率梳发出的参考光束与测量光束会在第二分光元件处发生干涉，然后与第二光学频率梳发出的光进行拍频，使用探测器探测拍频后的干涉信号。当光经过待测光学镜片时，在测量信号2中可以观察到基波信号(fund)和一次回波信号(echo)，如图3所示。

S2、傅里叶变换分析：通过调节采集时间，对干涉信号IGM1和IGM2进行筛选，得到对应的参考信号1和测量信号1，以及参考信号2和测量信号2中的基波信号和一次回波信号，将选取出的干涉信号进行快速傅里叶变换处理，然后计算获得基波信号展开相位的斜率

和一次回波信号的展开相位的斜率

如图4所示。

S3、厚度计算：计算光学镜片的厚度D，计算公式为：

其中，n_air是空气的折射率，c表示光速，

λ为激光波长；

S4、折射率计算：计算光学镜片的折射率n(ω)，计算公式为：

下面介绍公式(1)和公式(2)的推导过程。

测量信号1与测量信号2中的基波信号的相位差可以被定义为：

其中，n(ω)是待测光学镜片的折射率，n_air是空气的折射率，D是待测光学镜片的厚度，在测量过程中，n_air的色散可以被忽略，视为常数1.00026。测量信号1与测量信号2中的一次回波信号的相位差可以被定义为：

结合公式(3)和公式(4)，可以推导得到：

上式(5)即为式(1)，因此将步骤S2中获得的

和

代入公式(1)，可以计算得到厚度D。

然后，将推导得到的厚度D的表达式代入公式(1)可以得到：

上式(6)即为公式(2)，因此将步骤S2获得的

和通过步骤S3获得到的厚度D带入公式(2)，可以求得待测光学镜片的折射率。

S5、二维表征：以0.5mm的间隔对待测光学镜片进行二维扫描，重复S1-S4的步骤，在二维方向上获得待测光学镜片不同位置的厚度和折射率，对待测光学镜片进行二维表征。

本发明提供了一种基于双光梳干涉测量法对光学镜片进行质量检测的装置及方法，可以通过二维扫描在二维方向上获得光学镜片任意位置的厚度和折射率，实现光学镜片的二维表征，对光学镜片进行质量检测。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于双光梳干涉测量法的光学镜片质量检测系统，其特征在于，包括光源系统(I)、干涉测量系统(Ⅱ)和信号处理系统(Ⅲ)；

所述光源系统(I)包括第一光学频率梳(1)和第二光学频率梳(2)，用于产生重复频率满足外差拍频条件的两束激光；

所述干涉测量系统(Ⅱ)中，第一光学频率梳(1)的输出光束被分为测量光束和参考光束两束光，其中，测量光束入射到待测光学镜片(8)后，与参考光束重合；重合后的测量光束和参考光束与第二光学频率梳(2)的输出光束再次重合发生干涉后分为两束，分别被探测器(18)的两个探测窗口探测；

所述信号处理系统(Ⅲ)用于根据所述探测器(18)探测获得的干涉信号，计算得到待测光学镜片(8)的厚度和折射率；

所述干涉测量系统(Ⅱ)包括第一半波片(3)，第一四分之一波片(4)，第一分光元件(5)，第一反射镜(6)，第二反射镜(10)，第二分光元件(11)，第二半波片(12)，第二四分之一波片(13)，第三分光元件(14)，第三半波片(15)，第四分光元件(16)，第三反射镜(17)和探测器(18)；

所述第一光学频率梳(1)发出的光，首先经过第一半波片(3)和第一四分之一波片(4)，然后经过第一分光元件(5)分成参考光束和测量光束，其中测量光束经过第一反射镜(6)后与待测光学镜片(8)发生作用，然后再通过第二反射镜(10)后，与参考光束通过第二分光元件(11)重合；所述第二光学频率梳(2)发出的光，依次经过第二半波片(12)、第二四分之一波片(13)后，通过第三分光元件(14)与重合后参考光束和测量光束再次重合，再次重合后的光束依次经过第三半波片(15)和第四分光元件(16)后分成两束，其中一束进入探测器(18)的一个探测窗口，另一束通过第三反射镜(17)进入探测器(18)的另一个探测窗口。

2.根据权利要求1所述的一种基于双光梳干涉测量法的光学镜片质量检测系统，其特征在于，所述干涉测量系统(Ⅱ)还包括第一透镜(7)和第二透镜(9)，所述第一透镜(7)设置在待测光学镜片(8)前方，用于将测量光束聚焦在待测光学镜片(8)表面，所述第二透镜(9)设置在待测光学镜片(8)后方，用于将与待测光学镜片(8)作用后的测量光束会聚成平行光束。

3.根据权利要求1所述的一种基于双光梳干涉测量法的光学镜片质量检测系统，其特征在于，所述信号处理系统(Ⅲ)包括滤波元件(21)，信号处理单元(22)和显示屏(23)；从探测器获得的干涉信号首先经过滤波元件(21)滤波后，然后经过信号处理单元(22)计算得到待测光学镜片(8)的厚度和折射率后，传输到显示屏(23)显示。

4.根据权利要求3所述的一种基于双光梳干涉测量法的光学镜片质量检测系统，其特征在于，所述滤波元件(21)包含抗混叠滤波器和射频滤波器，所述抗混叠滤波器为频率为30MHz的低通滤波器，用于从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息；所述射频滤波器为插入损耗低于3dB的低通滤波器。

5.根据权利要求1所述的一种基于双光梳干涉测量法的光学镜片质量检测系统，其特征在于，还包括用于安装待测光学镜片(8)的光学镜片安装架(19)，所述光学镜片安装架(19)上设置有多个不同形状、不同大小的光学镜片安装区；所述光学镜片安装架(19)中心设置有通孔，调节旋钮(24)端部设置有螺纹，固定在二维平移台(20)上的支撑立柱(25)上设置有螺纹孔，调节旋钮(24)穿过光学镜片安装架(19)中心的通孔设置在支撑立柱(25)上的螺纹孔内，将光学镜片安装架(19)固定安装在二维平移台(20)上。

6.一种基于双光梳干涉测量法对光学镜片进行质量检测的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种基于双光梳干涉测量法的光学镜片质量检测系统实现，包括以下步骤：

S1、在干涉测量系统(Ⅱ)中未设置待测光学镜片的情况下获得干涉信号IGM1，其中包括参考信号1和测量信号1，然后将待测光学镜片放置在干涉测量系统(Ⅱ)中的测量光路中，获得干涉信号IGM2，其中包括参考信号2和测量信号2，其中在测量信号2中包括基波信号fund和一次回波信号echo；

S2、傅里叶变换分析：通过调节采集时间，对干涉信号IGM1和IGM2进行筛选，得到对应的参考信号1和测量信号1，以及参考信号2和测量信号2中的基波信号和一次回波信号，将选取出的干涉信号进行快速傅里叶变换处理，然后计算获得基波信号展开相位的斜率

和一次回波信号的展开相位的斜率

S3、厚度计算：计算光学镜片的厚度D，计算公式为：

其中，n_air是空气的折射率，c表示光速，

λ为激光波长；

S4、折射率计算：计算光学镜片的折射率n(ω)，计算公式为：

7.根据权利要求6所述的一种基于双光梳干涉测量法对光学镜片进行质量检测的方法，其特征在于，还包括二维表征的步骤，其具体方法为：以0.5mm的间隔对待测光学镜片进行二维扫描，重复S1-S4的步骤，在二维方向上获得待测光学镜片不同位置的厚度和折射率，对待测光学镜片进行二维表征。

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