CN114754669B - 一种多模光纤束扩展光源抑制干涉仪相干噪声的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多模光纤束扩展光源抑制干涉仪相干噪声的方法。首先根据扩展光源和干涉图对比度关系，光纤束最大等效芯径dmax；其次将激光束耦合到光纤束中，采集不同芯径di下的干涉散斑背景图Ij，计算散斑对比度Csj，换算后得到光纤束中激发的模式数Mj；然后计算旋转毛玻璃动态散斑法中散斑模式数Msj，结合散斑抑制条件以及模式数Mj得到光纤束最小等效芯径dmin；最后根据光纤束约束条件选择最优芯径d，将旋转毛玻璃置于显微镜头和多模光纤束之间，激光束经过显微物镜透过旋转毛玻璃聚焦于光纤束端面上，实现相干噪声抑制。本发明实现了干涉仪中相干噪声的抑制，增大旋转毛玻璃定位范围，隔绝毛玻璃振动对测量影响。
Description
技术领域
本发明属于光干涉计量领域，特别是一种多模光纤束扩展光源抑制干涉仪相干噪声的方法。
背景技术
干涉仪光路中的灰尘、元件瑕疵以及杂散光会在干涉图像中引入相干噪声，从而影响干涉测量精度。斐索干涉仪以其特有的共光路特性可以解决部分相干噪声问题，但干涉光路中光学元件的疵病等仍会在干涉图中形成“牛眼环”的相干噪声。在高精度检测技术中，干涉仪中的相干噪声会严重限制干涉仪的测量精度。因此在干涉测量时抑制相干噪声时现在的热点问题，当相干噪声得到抑制时，测量精度以及准确度才能得到有效保障。
1999年Schwider(Schwider J.Partially coherent illumination ininterferometry for optical testing[J].1999.)针对相干噪声的抑制技术最早提出两种方法，一种是CCD前侧加旋转毛玻璃进行平滑，另外是将毛玻璃移至光源焦点前将点光源扩展，通过破坏光源的空间相干性来抑制相干噪声。之后，Zygo公司的Kuchel Michae(Kuchel,Michael.Spatial coherence in interferometry:Zygo's new method toreduce intrinsic noise in interferometers[J].2004.)提出了环形光源方法，光源环形分布可以破坏空间相干性，降低系统的相干噪声，达到提高干涉系统的信噪比的目的。Sophie Morel(Morel S,Dubin M,Shiefman J,et al.Application of a syntheticextended source for interferometry[J].Appl Opt,2014,53(33):7903-7915.)利用离散化扩展光源的方法，将扩展光源视为一系列离散不相干的点光源，通过多次测量不同点源位置的干涉仪成像计算相位，对所有测量相位平均实现降低相干噪声的目的。对一系列点源分别采集计算并平均，但步骤繁琐且计算时间长。Y.Pavab Kumar(Kumar Y P,Negi SS,Kamath M P,et al.Measurement of surface form error of an optical surfacewith reduced interferometric spatial coherence artifacts using a ring sourceand polarization phase-shifting interferometry[J].Applied Optics,2016,55(35):10053.)提出了用锥形镜产生环形光源，实现相干噪声抑制。针对上述环形光源实现破坏光源空间相干性的方法都难以避免用到旋转毛玻璃。由于旋转毛玻璃置于干涉仪内部，自身振动会对测量结果产生影响，并且光源尺寸确定后，旋转毛玻璃位置不可改变，定位范围小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多模光纤束扩展光源抑制干涉仪相干噪声的方法，实现干涉仪中相干噪声的抑制，而且增大旋转毛玻璃定位范围，隔绝旋转毛玻璃振动对干涉仪的影响。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种多模光纤束扩展光源抑制干涉仪相干噪声的方法，包括以下步骤：
步骤1，根据扩展光源光斑尺寸和干涉仪对比度关系，对实际干涉腔长为H的干涉仪，计算得到对比度边界条件最小为0.9时，多模光纤束的等效纤芯直径尺寸dmax；
步骤2，将细激光束经过显微物镜聚焦，耦合至多模光纤束中，多模光纤束端面在显微镜头焦平面上组成光源系统，以该光源系统作为干涉仪光源；在该光源系统中使用不同纤芯直径di的多模光纤，使用CCD采集对应纤芯直径作为光源时的干涉仪散斑背景图Ij，di<dmax；
步骤3，对采集的干涉仪散斑背景图计算散斑对比度，得到散斑图Ij对应的散斑对比度Csj；
步骤4，根据散斑对比度和散斑模式数之间的换算关系，得到多模光纤束中激发的散斑模式数Mj；
步骤5，根据旋转毛玻璃动态散斑法中散斑模式计算方法，得到旋转毛玻璃产生的散斑模式数Msj，结合散斑抑制条件以及实际测量的多模光纤束散斑模式数Mj得到最小多模光纤束等效纤芯直径dmin；
步骤6，根据多模光纤束最大最小的直径范围选择最优的多模光纤纤芯直径d，将旋转毛玻璃放置在显微镜头和多模光纤束之间，并且使激光束经过显微物镜聚焦透过旋转毛玻璃仍聚焦在多模光纤束端面上，得到最终的多模光纤束扩展光源系统，实现干涉图对比度最优选择。
进一步地，步骤1所述的扩展光源光斑尺寸和干涉仪对比度关系，具体如下：
扩展光源光斑尺寸即为多模光纤束输出端的等效芯径，扩展光源允许口径的最大边界条件：
式中f准直物镜焦距，H为腔长，λ为光源的中心波长，dmax为扩展光源最大允许直径。
进一步地，步骤3所述的计算散斑对比度，具体如下：
式中，C表示散斑对比度，σI为光强的标准差，<I>光强强度的平均强度。
进一步地，步骤4中，散斑对比度C和散斑模式数M之间的换算关系，具体如下：
进一步地，步骤5中，旋转毛玻璃产生的散斑模式数M，具体如下：
式中D为多模光纤纤芯直径，T为CCD积分平均时间，v为漫射体移动移动速度，z为光纤端面到显微物镜距离，λ为使用激光的中心波长，J1()为一阶贝塞尔函数，x为归一化时间。
进一步地，步骤5所述的散斑抑制条件，具体为：散斑对比度低于4％，换算至散斑模式数大于625；抑制散斑需要满足散斑对比度或者散斑模式数条件。
进一步地，使用的光纤为多模光纤束，多模光纤束允许激发的模式数Mmf为：
式中d为多模光纤束等效直径，d0为多模光纤束中子光纤的纤芯直径，NA为多模光纤束中子光纤的数值孔径，λ为入射光纤的激光中心波长；
等口径的单芯多模光纤允许激发最大模式数MEX为：
式中de为单芯多模光纤纤芯直径，由于和多模光纤束等效直径一致，因此de＝d；
多模光纤束激发的最大模式数为单芯的多模光纤d/d0倍，所产生的散斑抑制效果是同口径单芯多模光纤的d/d0倍。
本发明与现有技术相比，显著优点为：(1)多模光纤束等效芯径选择范围提高，对散斑抑制的效果相比单模的好；(2)通过多模光纤束控制光斑尺寸，增大旋转毛玻璃定位范围；(3)旋转毛玻璃在干涉仪外部，隔绝旋转毛玻璃振动对干涉仪的影响。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为无旋转毛玻璃的光源系统图。
图2为带有旋转毛玻璃的光源系统图。
图3为大口径立式干涉仪的装置图。
图4为多模光纤束端面的结构示意图
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种多模光纤束扩展光源抑制干涉仪相干噪声的方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种多模光纤束扩展光源抑制干涉仪相干噪声的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据扩展光源光斑尺寸和干涉仪对比度关系，对实际干涉腔长为H的干涉仪，计算得到对比度边界条件最小为0.9时，多模光纤束的等效纤芯直径尺寸dmax；
步骤2，如图1所示，将细激光束经过显微物镜聚焦，耦合至多模光纤束中，多模光纤束端面在显微镜头焦平面上组成光源系统，以该光源系统作为干涉仪光源；在该光源系统中使用不同纤芯直径di的多模光纤，使用CCD采集对应纤芯直径作为光源时的干涉仪散斑背景图Ij，di<dmax；
步骤3，对采集的干涉仪散斑背景图计算散斑对比度，散斑图Ij对应可以得到的散斑对比度Csj；
步骤4，根据散斑对比度和散斑模式数间换算关系得到多模光纤束中激发的散斑模式数Mj；
步骤5，根据旋转毛玻璃动态散斑法中散斑模式计算方法得到旋转毛玻璃产生的散斑模式数Msj，结合散斑抑制条件以及实际测量的多模光纤束散斑模式数Mj得到最小多模光纤束等效纤芯直径dmin；
步骤6，根据多模光纤束最大最小的直径范围选择最优的多模光纤纤芯直径d，并且如图2所示将旋转毛玻璃放置在显微镜头和多模光纤束之间，并且使激光束经过显微物镜聚焦透过旋转毛玻璃仍聚焦在多模光纤束端面上，实现最终的多模光纤束扩展光源系统，如图3所示。实现干涉图对比度最优选择，同时保证斑等相干噪声优秀抑制效果。
进一步地，步骤1所述的扩展光源光斑尺寸和干涉仪对比度关系，具体如下：
扩展光源光斑尺寸即为多模光纤束输出端的等效芯径，扩展光源允许口径的最大边界条件：
式中f准直物镜焦距，H为腔长,λ为光源的中心波长，dmax为扩展光源最大允许直径。
进一步地，步骤3所述的计算散斑对比度，具体如下：
式中σI为光强的标准差,<I>光强强度的平均强度。
进一步地，步骤4所述的散斑对比度C和散斑模式数M间换算关系，具体如下：
进一步地，步骤5所述的旋转毛玻璃产生的散斑模式数，具体如下：
式中D为多模光纤纤芯直径，T为CCD积分平均时间，v为漫射体移动移动速度，z为光纤端面到显微物镜距离，λ为使用激光的中心波长，J1()为一阶贝塞尔函数，x为归一化时间。
进一步地，步骤5所述的散斑抑制条件，其特征在于，散斑抑制条件为散斑对比度低于4％，换算至散斑模式数应大于625；抑制散斑需要满足散斑对比度或者散斑模式数条件。
进一步地，所述的多模光纤束扩展光源抑制干涉仪相干噪声的方法中使用的光纤为多模光纤束，多模光纤束具体结构如图4所示，其特征在于，多模光纤束允许激发的模式数为：
式中d为多模光纤束等效直径，d0为多模光纤束中子光纤的纤芯直径，NA为多模光纤束中子光纤的数值孔径，λ为入射光纤的激光中心波长。
等口径的单芯多模光纤允许激发最大模式数为：
式中de为单芯多模光纤纤芯直径，由于和多模光纤束等效直径一致，因此de＝d。
多模光纤束激发的最大模式数为单芯的多模光纤d/d0倍，所产生的散斑抑制效果是同口径单芯多模光纤的d/d0倍。
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例
本发明的目的在于提供一种多模光纤束扩展光源抑制干涉仪相干噪声的方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种多模光纤束扩展光源抑制干涉仪相干噪声的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据扩展光源光斑尺寸和干涉仪对比度关系，对实际干涉腔长为H的干涉仪，计算得到对比度边界条件最小为0.9时，多模光纤束的等效纤芯直径尺寸dmax；扩展光源光斑尺寸即为多模光纤束输出端的等效芯径，扩展光源允许口径的最大边界条件：
式中f准直物镜焦距，H为腔长,λ为光源的中心波长，dmax为扩展光源最大允许直径。
步骤2，如图1所示，将细激光束经过显微物镜聚焦，耦合至多模光纤束中，多模光纤束端面在显微镜头焦平面上组成光源系统，以该光源系统作为干涉仪光源；在该光源系统中使用不同纤芯直径di的多模光纤，使用CCD采集对应纤芯直径作为光源时的干涉仪散斑背景图Ij，di<dmax；
步骤3，对采集的干涉仪散斑背景图计算散斑对比度，散斑图Ij对应可以得到的散斑对比度Csj；散斑对比度，具体如下：
式中σI为光强的标准差,<I>光强强度的平均强度。
步骤4，根据散斑对比度和散斑模式数间换算关系得到多模光纤束中激发的散斑模式数Mj；散斑对比度C和散斑模式数M间换算关系，具体如下：
步骤5，根据旋转毛玻璃动态散斑法中散斑模式计算方法得到旋转毛玻璃产生的散斑模式数Msj，结合散斑抑制条件以及实际测量的多模光纤束散斑模式数Mj得到最小多模光纤束等效纤芯直径dmin；旋转毛玻璃产生的散斑模式数，具体如下：
式中D为多模光纤纤芯直径，T为CCD积分平均时间，v为漫射体移动移动速度，z为光纤端面到显微物镜距离，λ为使用激光的中心波长，J1()为一阶贝塞尔函数，x为归一化时间。
并且散斑抑制条件为散斑对比度低于4％，换算至散斑模式数应大于625；抑制散斑需要满足散斑对比度或者散斑模式数条件。
步骤6，根据多模光纤束最大最小的直径范围选择最优的多模光纤纤芯直径d，并且如图2所示将旋转毛玻璃放置在显微镜头和多模光纤束之间，并且使激光束经过显微物镜聚焦透过旋转毛玻璃仍聚焦在多模光纤束端面上，实现最终的多模光纤束扩展光源系统，如图3所示。实现干涉图对比度最优选择，同时保证斑等相干噪声优秀抑制效果；
所述的多模光纤束扩展光源抑制干涉仪相干噪声的方法中使用的光纤为多模光纤束，多模光纤束具体结构如图4所示，它允许激发的模式数具体如下：
式中d为多模光纤束等效直径，d0为多模光纤束中子光纤的纤芯直径，NA为多模光纤束中子光纤的数值孔径，λ为入射光纤的激光中心波长。
等口径的单芯多模光纤允许激发最大模式数为：
式中de为单芯多模光纤纤芯直径，由于和多模光纤束等效直径一致，因此de＝d。
多模光纤束激发的最大模式数为单芯的多模光纤d/d0倍，所产生的散斑抑制效果是同口径单芯多模光纤的d/d0倍。
综上所述，本发明使用多模光纤束，使等效芯径选择范围提高，对散斑抑制的效果相比单模的好；通过控制光纤改变光源尺寸，增大旋转毛玻璃定位范围；隔绝旋转毛玻璃振动对干涉仪的影响。
Claims (7)
1.一种多模光纤束扩展光源抑制干涉仪相干噪声的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据扩展光源光斑尺寸和干涉仪对比度关系，对实际干涉腔长为H的干涉仪，计算得到对比度边界条件最小为0.9时，多模光纤束的等效纤芯直径尺寸dmax；
步骤2，将细激光束经过显微物镜聚焦，耦合至多模光纤束中，多模光纤束端面在显微镜头焦平面上组成光源系统，以该光源系统作为干涉仪光源；在该光源系统中使用不同纤芯直径di的多模光纤，使用CCD采集对应纤芯直径作为光源时的干涉仪散斑背景图Ij，di<dmax；
步骤3，对采集的干涉仪散斑背景图计算散斑对比度，得到散斑图Ij对应的散斑对比度Csj；
步骤4，根据散斑对比度和散斑模式数之间的换算关系，得到多模光纤束中激发的散斑模式数Mj；
步骤5，根据旋转毛玻璃动态散斑法中散斑模式计算方法，得到旋转毛玻璃产生的散斑模式数Msj，结合散斑抑制条件以及实际测量的多模光纤束散斑模式数Mj得到最小多模光纤束等效纤芯直径dmin；
步骤6，根据多模光纤束最大最小的直径范围选择最优的多模光纤纤芯直径d，将旋转毛玻璃放置在显微镜头和多模光纤束之间，并且使激光束经过显微物镜聚焦透过旋转毛玻璃仍聚焦在多模光纤束端面上，得到最终的多模光纤束扩展光源系统，实现干涉图对比度最优选择。
2.根据权利要求1中所述的多模光纤束扩展光源抑制干涉仪相干噪声的方法，其特征在于，步骤1所述的扩展光源光斑尺寸和干涉仪对比度关系，具体如下：
扩展光源光斑尺寸即为多模光纤束输出端的等效芯径，扩展光源允许口径的最大边界条件：
式中f准直物镜焦距，H为腔长，λ为光源的中心波长，dmax为扩展光源最大允许直径。
3.根据权利要求1中所述的多模光纤束扩展光源抑制干涉仪相干噪声的方法，其特征在于，步骤3所述的计算散斑对比度，具体如下：
式中，C表示散斑对比度，σI为光强的标准差，<I>光强强度的平均强度。
4.根据权利要求1中所述的多模光纤束扩展光源抑制干涉仪相干噪声的方法，其特征在于，步骤4中，散斑对比度C和散斑模式数M之间的换算关系，具体如下：
5.根据权利要求1中所述的多模光纤束扩展光源抑制干涉仪相干噪声的方法，其特征在于，步骤5中，旋转毛玻璃产生的散斑模式数M，具体如下：
式中D为多模光纤纤芯直径，T为CCD积分平均时间，v为漫射体移动移动速度，z为光纤端面到显微物镜距离，λ为使用激光的中心波长，J1()为一阶贝塞尔函数，x为归一化时间。
6.根据权利要求1中所述的多模光纤束扩展光源抑制干涉仪相干噪声的方法，其特征在于，步骤5所述的散斑抑制条件，具体为：散斑对比度低于4％，换算至散斑模式数大于625；抑制散斑需要满足散斑对比度或者散斑模式数条件。
7.根据权利要求1中所述的多模光纤束扩展光源抑制干涉仪相干噪声的方法，其特征在于，使用的光纤为多模光纤束，多模光纤束允许激发的模式数Mmf为：
式中d为多模光纤束等效直径，d0为多模光纤束中子光纤的纤芯直径，NA为多模光纤束中子光纤的数值孔径，λ为入射光纤的激光中心波长；
等口径的单芯多模光纤允许激发最大模式数MEX为：
式中de为单芯多模光纤纤芯直径，由于和多模光纤束等效直径一致，因此de＝d；
多模光纤束激发的最大模式数为单芯的多模光纤d/d0倍，所产生的散斑抑制效果是同口径单芯多模光纤的d/d0倍。
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Inventor after: Zheng Donghui Inventor after: Ma Haiying Inventor after: Hu Zhihao Inventor after: Hu Chenhui Inventor after: Chen Lei Inventor after: Zhang Zhe Inventor after: Qian Yue Inventor after: Huang Chen Inventor after: Wang Yuntao Inventor after: Ma Zhiyao Inventor after: Li Ruokun Inventor before: Hu Chenhui Inventor before: Ma Haiying Inventor before: Hu Zhihao Inventor before: Zheng Donghui Inventor before: Chen Lei Inventor before: Zhang Zhe Inventor before: Qian Yue Inventor before: Huang Chen Inventor before: Wang Yuntao Inventor before: Ma Zhiyao Inventor before: Li Ruokun |
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