CN112066901A - 超声可调光谱干涉测量装置和测量方法 - Google Patents

超声可调光谱干涉测量装置和测量方法 Download PDF

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Abstract

一种超声可调光谱干涉测量的测量装置和测量方法，测量装置包括超宽光谱激光光源、环形器、超声波发生器、换能器、铝板、布拉格光纤光栅、光纤微调整架、陷光器、扩束输出镜、分光棱镜、CCD相机、准直透镜、透射标准镜、待测元件和标准反射镜。超宽光谱激光光源产生宽谱光束，超声波发生器和换能器用于产生频率可调的超声波，铝板传递超声波对布拉格光纤光栅调制，光纤微调整架对光栅位置进行微调，环形器将宽谱光源与光栅反射光束分开，陷光器用于吸收光栅透射光，CCD相机用于记录干涉相位图。本发明在测量过程中，通过调整超声频率的大小即可实现光源相干长度的调节，从而可实现高平行度平板元件前后表面面形误差的快速同步的测量。

Description

超声可调光谱干涉测量装置和测量方法
技术领域
本发明涉及超声波干涉测量领域，特别是通过调谐光谱来改变相干长度来 实现高平行度平板元件前后表面面形误差的快速同步的测量。
背景技术
随着现代光学技术的快速发展，现代光学系统对光学元件的面形质量要求 日益提高，高质量面形的光学元件需要高精度的检测技术来表征，同时高精度 的检测技术对于高精度光学元件的加工也至关重要。
目前比较成熟的检测方法有光干涉法测量、显微干涉法测量、光切法测量、 光散射法测量以及光学触针法测量。其中光干涉法测量又以点衍射干涉测量和 斐索干涉仪测量为主，其中点衍射干涉测量虽然测量精度高，成本低，对于球 面光学元件的面形检测具有重要意义，但是目前基于压电陶瓷(PZT)移相技术 是一种静态球面面形的检测，对检测系统的抗振性能要求很高。斐索干涉仪测 量因其光路结构简单，测试方法和技术相对成熟目前成为主流的检测方法，但 由于光源的相干长度较长，在平行平板光学元件的前后表面间会产生多组干涉 条纹，导致测量效果不佳，对于现代光学技术发展的需求和对高精度的光学元 件的检测和加工显然是无法胜任的。
发明内容
本发明的目的在于解决高平行度平板元件多表面干涉产生的寄生条纹问 题，为多表面高平行度平板元件前后表面面形误差快速测量提供一种超声可调 光谱干涉测量装置和测量方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种超声可调光谱干涉测量装置，其特点在于，包括超宽光谱激光光源、 环形器、超声波发生器、换能器、光纤光栅、陷光器、扩束输出镜、分光棱镜、 CCD相机、准直透镜、透射标准镜、反射标准镜以及供所述的透射标准镜固定的 压电陶瓷；
所述的超宽光谱激光光源的输出光束通过光纤传输经过环形器后耦合到光 纤光栅中，经所述的光纤光栅的透射光通过光纤耦合到陷光器；
经所述的光纤光栅的反射光经所述的环形器传输到扩束输出镜，经该扩束 输出镜扩束后输入到所述的分光棱镜，经该分光棱镜透射后，依次经所述的准 直透镜、透射标准镜和待测元件后，入射到所述的反射标准镜，经该反射标准 镜反射后沿原光路返回，依次经待测元件、透射标准镜和准直透镜、入射到分 光棱镜，经该分光棱镜反射后，将携带面形信息的光成像在CCD相机上，并经 该CCD相机传输至上位机，处理后得到面形信息；
所述的超声波发生器发出信号由导线传送到换能器发出超声波，对经光纤 光栅的反射光进行调制。
还包括铝板和光纤微调整架，所述的换能器、光纤光栅和光纤微调整架固 定在该铝板上，连接所述的光纤光栅和陷光器的光纤放置在该光纤微调整架上。
所述的扩束输出镜输出的光的相干长度可由超声波发生器发出信号由换能 器发出超声波影响光纤光栅。
优选的，所述的光纤光栅为布拉格光纤光栅。
一种上述超声可调光谱干涉测量装置进行超声可调光谱干涉的测量方法， 其特点在于，该方法包括以下步骤：
1)根据所述的待测元件的厚度和精度要求，确定需要测量光的中心波长及 调谐的范围，选取所述的光纤光栅并安装，所述的光纤光栅的中心波长为λ0， 有效折射率为neff、有效弹光系数为P，通过调节所述的光纤微调整架调整布拉 格光纤光栅状态；
2)打开所述的超宽光谱激光光源，所述的超声波发生器处于关闭状态，记 录当前时刻所述的CCD相机的干涉条纹图，并记为I0；
3)打开所述的超声波发生器，所述的超声波发生器的超声调制系数为em， 当测量待测元件前表面时，lc为所述的扩束输出镜的输出面到待测元件的前表 面的相干距离，t为所述的超声波发生器的调制时间，按公式(1)计算此时所 述的超声波发生器的调制频率fs：
Figure BDA0002652783510000031
4)在步骤3)计算的超声波频率fs下，采集N幅干涉条纹图，并分别记为 I1、I2、I3...IN，将该N幅干涉条纹图分别导入上位机，利用13步移相算法以 及泽尼克多项式误差分析算法求解待测元件前表面面形信息；
5)当测量待测元件后表面时，lc′为所述的扩束输出镜的输出面到待测元件 后表面的相干距离，t'为所述超声波发生器的调制时间，按公式(2)计算此时 的所述的超声波发生器的调制频率fs′：
Figure BDA0002652783510000032
6)在步骤5)计算的超声波频率fs′下，采集M幅干涉条纹图，并分别记为 I1'、I2'、I3'...IM，将该M幅干涉条纹图导入上位机，利用13步移相算法和泽 尼克多项式误差分析算法求解待测元件后表面面形信息。
为了更好的将超声波耦合到布拉格光纤光栅中，换能器头部采用扁盘式结 构，整个前端光源设计均用铁盒封装成一个整体。
本发明的有益效果是：
本发明可实现不需改变激光光源从而检测多表面的光学元件，通过调节超 声频率使得光学相干长度发生变化，不但大大简化了测量工作，还有利于获得 更加精确的相位干涉图，通过解相算法处理后可以使面形测量精确度更高。
附图说明
图1为本发明的超声可调光谱干涉测量装置的结构俯视图；
图2为本发明的超声可调光谱干涉测量装置的局部结构图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步阐述。
如图1至图2所示，本发明的超声可调光谱干涉测量的测量装置，包括超 宽光谱激光光源1、环形器3、超声波发生器4、换能器6、光纤光栅7、光纤微 调整架9、陷光器10、扩束输出镜11、分光棱镜12、CCD相机15、准直透镜13、 透射标准镜14、待测元件17和反射标准镜18。
沿所述的超宽光谱激光光源1的光束通过光纤2传输经过环形器3后耦合 到光纤光栅7中，超声波发生器4发出信号由导线5传送到换能器6发出超声 波，超声波在铝板8上传输，光纤微调整架9对光纤耦合进行微调整，通过光 纤光栅7的透射光沿光纤耦合到陷光器10中，反射光经过环形器3传输到扩束 输出镜11后耦合输出，光束透过分光棱镜12，依次经过准直透镜13、由压电 陶瓷16固定的透射标准镜14、待测元件17和反射标准镜18，反射光沿原光路 返回后经分光棱镜12将携带面形信息的光成像在CCD相机15，经过上位机软件进行处理得到面形信息。
一种超声可调光谱干涉测量的方法，包括以下步骤：
1)根据所述的待测元件17的厚度和精度要求，确定需要测量光的中心波 长及调谐的范围，选取所述的光纤光栅7并安装，所述的光纤光栅7的中心波 长为λ0，有效折射率为neff、有效弹光系数为P，通过调节所述的光纤微调整架 9调整布拉格光纤光栅状态；
2)打开所述的超宽光谱激光光源1，所述的超声波发生器4处于关闭状态， 记录当前时刻所述的CCD相机15的干涉条纹图，并记为I0；
3)打开所述的超声波发生器4，所述的超声波发生器4的超声调制系数为 em，当测量待测元件17前表面时，lc为所述的扩束输出镜11的输出面到待测 元件的前表面的相干距离，t为所述的超声波发生器4的调制时间，按公式(1) 计算此时所述的超声波发生器4的调制频率fs：
Figure BDA0002652783510000041
4)在步骤3)计算的超声波频率fs下，采集N幅干涉条纹图，并分别记为 I1、I2、I3...IN，将该N幅干涉条纹图分别导入上位机，利用13步移相算法以 及泽尼克多项式误差分析算法求解待测元件17前表面面形信息；
5)当测量待测元件17后表面时，lc′为所述的扩束输出镜11的输出面到待 测元件17后表面的相干距离，t'为所述超声波发生器4的调制时间，按公式(2) 计算此时的所述的超声波发生器4的调制频率fs′：
Figure BDA0002652783510000051
6)在步骤5)计算的超声波频率fs′下，采集M幅干涉条纹图，并分别记为 I1'、I2'、I3'...IM，将该M幅干涉条纹图导入上位机，利用13步移相算法和泽 尼克多项式误差分析算法求解待测元件17后表面面形信息。

Claims (5)

1.一种超声可调光谱干涉测量装置，其特征在于，包括超宽光谱激光光源(1)、环形器(3)、超声波发生器(4)、换能器(6)、光纤光栅(7)、陷光器(10)、扩束输出镜(11)、分光棱镜(12)、CCD相机(15)、准直透镜(13)、透射标准镜(14)、反射标准镜(18)以及供所述的透射标准镜(14)固定的压电陶瓷(16)；
所述的超宽光谱激光光源(1)的输出光束通过光纤(2)传输经过环形器(3)后耦合到光纤光栅(7)中，经所述的光纤光栅(7)的透射光通过光纤耦合到陷光器(10)；
经所述的光纤光栅(7)的反射光经所述的环形器(3)传输到扩束输出镜(11)，经该扩束输出镜(11)扩束后输入到所述的分光棱镜(12)，经该分光棱镜(12)透射后，依次经所述的准直透镜(13)、透射标准镜(14)和待测元件(17)后，入射到所述的反射标准镜(18)，经该反射标准镜(18)反射后沿原光路返回，依次经待测元件(17)、透射标准镜(14)和准直透镜(13)、入射到分光棱镜(12)，经该分光棱镜(12)反射后，将携带面形信息的光成像在CCD相机(15)上，并经该CCD相机(15)传输至上位机，处理后得到面形信息；
所述的超声波发生器(4)发出信号由导线(5)传送到换能器(6)发出超声波，对经光纤光栅(7)的反射光进行调制。
2.根据权利要求1所述的超声可调光谱干涉测量装置，其特征在于：还包括铝板(8)和光纤微调整架(9)，所述的换能器(6)、光纤光栅(7)和光纤微调整架(9)固定在该铝板(8)上，连接所述的光纤光栅(7)和陷光器(10)的光纤放置在该光纤微调整架(9)上。
3.根据权利要求1所述的超声可调光谱干涉测量装置，其特征在于：所述的扩束输出镜(11)输出的光的相干长度可由超声波发生器(4)发出信号由换能器(6)发出超声波影响光纤光栅(7)。
4.根据权利要求1所述的超声可调光谱干涉测量装置，其特征在于：所述的光纤光栅(7)为布拉格光纤光栅。
5.一种利用权利要求1-4任一所述的超声可调光谱干涉测量装置进行超声可调光谱干涉的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)根据所述的待测元件(17)的厚度和精度要求，确定需要测量光的中心波长及调谐的范围，选取光纤光栅(7)并安装，所述的光纤光栅(7)的中心波长为λ0，有效折射率为neff、有效弹光系数为P，通过调节所述的光纤微调整架(9)调整布拉格光纤光栅状态；
2)打开所述的超宽光谱激光光源(1)，所述的超声波发生器(4)处于关闭状态，记录当前时刻所述的CCD相机(15)的干涉条纹图，并记为I0；
3)打开所述的超声波发生器(4)，所述的超声波发生器(4)的超声调制系数为em，当测量待测元件(17)前表面时，lc为所述的扩束输出镜(11)的输出面到待测元件的前表面的相干距离，t为所述的超声波发生器(4)的调制时间，按公式(1)计算此时所述的超声波发生器(4)的调制频率fs：
Figure FDA0002652783500000021
4)在步骤3)计算的超声波频率fs下，采集N幅干涉条纹图，并分别记为I1、I2、I3...IN，将该N幅干涉条纹图分别导入上位机，利用13步移相算法以及泽尼克多项式误差分析算法求解待测元件(17)前表面面形信息；
5)当测量待测元件(17)后表面时，lc′为所述的扩束输出镜(11)的输出面到待测元件(17)后表面的相干距离，t'为所述超声波发生器(4)的调制时间，按公式(2)计算此时的所述的超声波发生器(4)的调制频率fs′：
Figure FDA0002652783500000022
6)在步骤5)计算的超声波频率fs′下，采集M幅干涉条纹图，并分别记为I1'、I2'、I3'...IM，将该M幅干涉条纹图导入上位机，利用13步移相算法和泽尼克多项式误差分析算法求解待测元件(17)后表面面形信息。
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