CN114923435A - 测量微柱状光学件相位层析信息的柱面显微干涉装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量微柱状光学件相位层析信息的柱面显微干涉装置，用于测量光纤布拉格光栅等微柱状光学件表面形貌、内部微结构及折射率分布。为了生成与微柱状光学件结构特征对应的出射线型光斑或参考柱面波前，本发明提出了一种柱面显微干涉装置，光束通过宽谱柱面波显微干涉物镜组件后会产生柱面波进而产生线型光斑。选择与球面显微物镜焦距相近的单片球面镜，保持x轴向曲率，改变y轴向曲率半径为无穷大，并使其母线相互平行，得到柱面显微物镜。再以垂直扫描的测量方式构成系统，实现对于光纤布拉格光栅的检测。本发明解决了难以非接触测量光纤等微柱状光学件内部与相位层析有关的物理参数和表面形貌的问题，实现了高效精确检测。
Description
技术领域
本发明属于显微干涉物镜光学系统设计领域，具体涉及一种测量微柱状光学件相位层析信息的柱面显微干涉装置。
背景技术
随着光学加工工艺的日益发展，包含各种新型光学表面的光学系统不断涌现，柱面光学面形结构已广泛应用到各种光学系统中。柱面镜在一个维度上有曲率，是为光源进行一维整形而设计应用的。它通常用来改变光学系统中的光源形状，使其成为线光源。柱面镜可用于系统中像散的矫正。
光纤由于其频带宽、损耗低、抗干扰性强、工作性能可靠、重量轻体积小等优点在通信传输、数据中心、医学内窥镜、传感器等领域应用广泛。但目前尚未有一种对其相位层析信息或表面形貌直接进行测量的高效方法。
白光扫描干涉法是一种无损、快速、无接触的测量方法，且白光干涉抗干扰能力强、精度高，相比于激光干涉，白光没有2π的模糊相位差，不用进行相位解包裹，减少了数据处理难度，无需破坏光学件，过程简单方便。
李敏在《基于白光扫描干涉法的光纤折射率分布的测量》一文中，采用基于白光扫描干涉技术的横向干涉法来测量光纤折射率的分布。通过两路光束，一路光透过光纤样品到达硅片后发生反射，将光纤沉浸在匹配液中且在光纤上盖一块石英盖玻片；另一路光光经过参考镜反射，在反射镜上构造与光纤样品类似的结构，使用硅片作为反射镜。通过压电陶瓷位移平台的垂直步进运动与16bit的sCMOS相机采集图片相结合，获得光纤样品的干涉条纹信息，结合小波算法，获取光纤与匹配液的相对高度，从而计算出光纤的折射率分布。该方法用于测量光纤折射率，但采用了折射率匹配液，属于接触式测量，且使用器材多，操作过程复杂。本文所述系统采用非接触式测量，操作过程简单。
发明内容
本发明提出了一种测量微柱状光学件相位层析信息的柱面显微干涉装置，用来实现对光纤等微柱状光学件内相位层析信息和表面形貌的测量。
实现本发明的技术解决方案为：一种测量微柱状光学件相位层析信息的柱面显微干涉装置，包括光源、照明系统、宽谱柱面波显微干涉物镜组件、扫描系统、CCD、上位机、PZT、管镜和分光棱镜，宽谱柱面波显微干涉物镜组件包括柱面显微物镜、参考板和分光板，待测微柱状光学件放置在PZT上，沿光路依次设置光源、照明系统和分光棱镜，柱面显微物镜、参考板、分光板和待测微柱状光学件共光轴设置在分光棱镜的反射光路上，光源发出的光经过照明系统均匀照明后，经分光棱镜反射进入宽谱柱面波显微干涉物镜组件，经柱面显微物镜、参考板、分光板后，形成两束光，一束光经存在线状反射区的参考板反射形成参考光，另一束光照射到待测微柱状光学件后形成测试光，二者叠加形成干涉光，干涉光经分光棱镜透射，经过管镜，被CCD接收，CCD外接上位机，上位机分析CCD采集的干涉条纹，得到待测微柱状光学件的形貌信息和相位层析信息，扫描系统用于控制宽谱柱面波显微干涉物镜组件的位置。
当微柱状光学件为光纤布拉格光栅时，该装置用于对其进行包层形貌检测，以包层位置为中心进行垂直方向上的相干扫描，最后通过对相干信号进行相干峰定位复原形貌结果。
当微柱状光学件为光纤布拉格光栅时，该装置用于对光纤布拉格光栅的相位层析信息进行求解，对于光纤布拉格光栅相位层析信息的求解是对光纤直径长度内进行垂直方向上的相干扫描，最后通过对相干信号进行解调得到光纤布拉格光栅沿光束传播方向在检测视场中的相位层析信息。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)在干涉显微物镜中采用了至少一片柱面镜，经过干涉显微物镜产生了柱面波，区别与普通干涉显微物镜产生的球面波，从而能直接应用于微柱状光学件内相位层析信息和表面形貌的测量。
(2)能直接对光线布拉格光栅进行相位层析信息和表面形貌的测量，使测量过程更加快捷方便，大大提高了测量的效率。
附图说明
图1为本发明柱面显微干涉测量装置结构图。
图2为本发明柱面显微干涉测量装置中干涉显微物镜结构图。
图3为单一柱面镜整形示意图。
图4为本发明实施例中采用20倍宽谱柱面波显微干涉物镜组件的结构示意图。
图5为本发明实施例中采用20倍宽谱柱面波显微干涉物镜组件的光路示意图。
图6为本发明实施例中采用20倍宽谱柱面波显微干涉物镜组件得到的点列图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果改特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明地描述中，“多个”地含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体地限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应作广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“连接”可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。
下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。
结合图1～图3，一种测量微柱状光学件相位层析信息的柱面显微干涉装置，包括光源、照明系统、宽谱柱面波显微干涉物镜组件、扫描系统、CCD、上位机、PZT、管镜和分光棱镜，宽谱柱面波显微干涉物镜组件包括柱面显微物镜、参考板和分光板，待测微柱状光学件放置在PZT上，沿光路依次设置光源、照明系统和分光棱镜，柱面显微物镜、参考板、分光板和待测微柱状光学件共光轴设置在分光棱镜的反射光路上，光源发出的光经过照明系统均匀照明后，经分光棱镜反射进入宽谱柱面波显微干涉物镜组件，经柱面显微物镜、参考板、分光板后，形成两束光，一束光经存在线状反射区的参考板反射形成参考光，另一束光照射到待测微柱状光学件后形成测试光，二者叠加形成干涉光，干涉光经分光棱镜透射，经过管镜，被CCD接收，CCD外接上位机，上位机分析CCD采集的干涉条纹，得到待测微柱状光学件的形貌信息和相位层析信息，扫描系统用于控制宽谱柱面波显微干涉物镜组件的位置。
所述柱面显微物镜通过将球面显微物镜中至少一片球面镜替换为柱面镜实现，光束通过柱面显微物镜后产生柱面波，得到对应于待测微柱状光学件特征的出射线型光斑。
所述柱面显微物镜的设计方法，步骤如下：
根据设计要求的孔径、视场和波长，利用齐明透镜组合得到球面显微物镜，进而得到球面显微物镜各个球面镜的曲率半径。
球面显微物镜的相位为
在球面显微物镜中，单片球面镜引入的相位差为：
其中，空间角频率k＝2π/λ，λ表示波长，f球表示单片球面镜焦距，(x1，y1)为球面镜的对应坐标。
将上述单片球面镜更换为单片柱面镜引入的相位差
为：
其中，f柱表示单片柱面镜焦距，x2为柱面镜的对应坐标。
柱面显微物镜的相位
为：
其中，
为球面显微物镜的相位，
与球面坐标(x球，y球)和球面显微物镜的焦距F0有关，可与
抵消。
选取单片球面镜，其焦距近似于球面显微物镜焦距。不改变x轴向的曲率半径，改变y轴向曲率半径为无穷大，并使其母线相互平行，得到柱面显微物镜。
柱面镜可实现光斑形状的转变，柱面镜只在单一方向对光斑起作用，入射光斑经过单个柱面镜后，光斑横向为高斯型光强分布，纵向为等光强分布，整形后所得光斑为椭圆形。
当高斯光斑通过柱面镜时，入射光斑A在y方向(即纵向)上的能量分布PA(a)为：
其中，a为入射光斑的纵坐标，w0为光斑束腰半径大小，ymax为入射光斑半径，P是入射光斑在[0,ymax]内的总能量。
圆形光斑经过该柱透镜后，所得椭圆光斑在y方向上光强均匀分布，光斑一半宽度取为Ymax，出射椭圆光斑在y方向上的能量分布PB(b)为：
PB(b)＝τP(b/Ymax)2
其中τ为柱透镜能量透过参数，b为出射椭圆光斑的纵坐标，在柱透镜的作用下使得PA(a)＝PB(b)，由此推导出坐标变换方程b(a)：
当微柱状光学件为光纤布拉格光栅时，该装置用于对其进行包层形貌检测，以包层位置为中心进行垂直方向上的相干扫描，最后通过对相干信号进行相干峰定位复原形貌结果。
当微柱状光学件为光纤布拉格光栅时，该装置用于对光纤布拉格光栅的相位层析信息进行求解，对于光纤布拉格光栅相位层析信息的求解是对光纤直径长度内进行垂直方向上的相干扫描，最后通过对相干信号进行解调得到光纤布拉格光栅沿光束传播方向在检测视场中的相位层析信息。
实施例1
本实施提供了测量微柱状光学件相位层析信息的柱面显微干涉装置中的宽谱柱面波显微干涉物镜组件，以实现对于光纤布拉格光栅的外包层形貌检测和纤芯折射率分布检测。
光源发出的光束经过柯勒照明系统产生多视场均匀照明光，经分光棱镜反射，反射光向下传播至由柱面显微物镜、参考板和分光板组成的宽谱柱面波显微干涉物镜组件。经柱面显微物镜、参考板、分光板后，形成两束光：反射光向上反射到存在线状反射区的参考板，经过参考镜反射后到分光板上表面，经分光板上表面反射后形成参考光；透射光向下传播到待测光纤布拉格光栅上，被反射后透过分光板形成测试光，参考光与测试光发生干涉，产生干涉光信号。干涉光信号向上传播到分光棱镜，经过分光棱镜透射至CCD，上位机分析CCD采集的干涉条纹，得到光纤布拉格光栅的外包层形貌信息和纤芯折射率分布信息。
实施例1
本发明实施例中的宽谱柱面波显微干涉物镜组件放大倍率为20X，数值孔径为0.35。
如图4所示，本发明宽谱柱面波显微干涉物镜组件，包括沿同一光轴从左向右排列的第一透镜1、第二透镜2、光阑3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6、第六透镜7、第七透镜8、参考板9和分光板10。
照明光依次通过第一透镜1、第二透镜2、光阑3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6、第六透镜7、第七透镜8和参考板9，在分光板10处被分为两束，一束入射到参考板表面返回，另一束入射到待测件表面返回，两束光在分光板10处重合后发生干涉，根据产生的干涉条纹分析待测件的微观特性。
进一步地，所述第三透镜4与第四透镜5为双胶合透镜，第五透镜6与第六透镜7双胶合透镜。
进一步地，所述第七透镜8为柱面镜，左右两个表面为柱面。
结合表1，所述第一透镜1的口径为9毫米，中心厚度为1.108毫米，左右两个表面均为球面，左球面曲率半径为-5.498毫米，右球面曲率半径为-5.851毫米，采用的玻璃牌号为H-ZLAF4LA；第二透镜2的口径为10毫米，中心厚度为1.671毫米，左右两个表面均为球面，左球面曲率半径为-6.093毫米，右球面曲率半径为-7.696毫米，采用的玻璃牌号为H-LAK61；光阑3的通光口径为8毫米；第三透镜4的口径为10.4毫米，中心厚度为3.284毫米，左右两个表面均为球面，左球面曲率半径为-50.599毫米，右球面曲率半径为11.608毫米，采用的玻璃牌号为H-LAF4；第四透镜5的口径为10.4毫米，中心厚度为2.458毫米，左右两个表面均为球面，左球面曲率半径为11.608毫米，右球面曲率半径为-21.826毫米，采用的玻璃牌号为H-LAF1；第五透镜6的口径为11毫米，中心厚度为1.167毫米，左右两个表面均为球面，左球面曲率半径为28.750毫米，右球面曲率半径为15.593毫米，采用的玻璃牌号为H-ZF71；第六透镜7的口径为11毫米，中心厚度为1.825毫米，左右两个表面均为球面，左球面曲率半径为15.593毫米，右球面曲率半径为-68.005毫米，采用的玻璃牌号为H-ZPK5；第七透镜8的口径为9.4毫米，中心厚度为1.638毫米，左右两个表面均为柱面，左柱面曲率半径为9.785毫米，右柱面曲率半径为60.641毫米，采用的玻璃牌号为H-ZPK5；参考板9为一圆形光学平板，其直径为8毫米，厚度为0.8毫米，采用的玻璃材料为SILICA；分光板10为一圆形光学平板，其直径为7.5毫米，厚度为0.8毫米，采用的玻璃材料为SILICA。
所述第一透镜1与第二透镜2的空气间隔为1.707毫米，第二透镜2与光阑3的空气间隔为0.1毫米，光阑3与第三透镜4的空气间隔为4毫米，第四透镜5与第五透镜6的空气间隔为2.297毫米，第六透镜7与第七透镜8的空气间隔为2.4毫米，第七透镜8与参考板9的空气间隔为5毫米，参考板9与分光板10的空气间隔为2.339毫米。
表1
作为一种具体事例，所述第七透镜8为柱面镜，口径为9.4毫米，中心厚度为1.638毫米，左右两个表面均为柱面，左柱面曲率半径为9.785毫米，右柱面曲率半径为60.641毫米，采用的玻璃牌号为H-ZPK5。
本发明所述光学系统为无限共轭距光学系统，工作时需平行光入射照明。
结合图5，本发明20倍宽谱柱面波显微干涉物镜组件的工作原理是平行光照明，照明光依次通过第一透镜1、第二透镜2、光阑3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6、第六透镜7、第七透镜8和参考板9，在分光板10处被分为两束柱面波，一束入射到参考板表面返回，另一束入射到待测件表面返回，待测件为光纤布拉格光栅。两束光在分光板处重合后发生干涉，根据其产生的干涉条纹，可以分析光纤布拉格光栅的外包层形貌信息和纤芯折射率分布信息。
通过图6，可以说明本发明所述的宽谱柱面波显微干涉物镜组件成像良好，所得出射线型光斑满足装置要求。
Claims (8)
1.一种测量微柱状光学件相位层析信息的柱面显微干涉装置，其特征在于：包括光源、照明系统、宽谱柱面波显微干涉物镜组件、扫描系统、CCD、上位机、PZT、管镜和分光棱镜，宽谱柱面波显微干涉物镜组件包括柱面显微物镜、参考板和分光板，待测微柱状光学件放置在PZT上，沿光路依次设置光源、照明系统和分光棱镜，柱面显微物镜、参考板、分光板和待测微柱状光学件共光轴设置在分光棱镜的反射光路上，光源发出的光经过照明系统均匀照明后，经分光棱镜反射进入宽谱柱面波显微干涉物镜组件，经柱面显微物镜、参考板、分光板后，形成两束光，一束光经存在线状反射区的参考板反射形成参考光，另一束光照射到待测微柱状光学件后形成测试光，二者叠加形成干涉光，干涉光经分光棱镜透射，经过管镜，被CCD接收，CCD外接上位机，上位机分析CCD采集的干涉条纹，得到待测微柱状光学件的形貌信息和相位层析信息，扫描系统用于控制宽谱柱面波显微干涉物镜组件的位置。
2.根据权利要求1所述测量微柱状光学件相位层析信息的柱面显微干涉装置，其特征在于：微柱状光学件采用光纤布拉格光栅。
3.根据权利要求2所述测量微柱状光学件相位层析信息的柱面显微干涉装置，其特征在于：所述柱面显微物镜通过将球面显微物镜中至少一片球面镜替换为柱面镜实现，光束通过柱面显微物镜后产生柱面波，得到对应于待测微柱状光学件特征的出射线型光斑。
4.根据权利要求3所述测量微柱状光学件相位层析信息的柱面显微干涉装置，其特征在于，所述柱面显微物镜的设计方法，步骤如下：
根据设计要求的孔径、视场和波长，利用齐明透镜组合得到球面显微物镜，进而得到球面显微物镜各个球面镜的曲率半径；
球面显微物镜的相位为
在球面显微物镜中，单片球面镜引入的相位差为：
其中，空间角频率k＝2π/λ，λ表示波长，f球表示单片球面镜焦距，(x1，y1)为球面镜的对应坐标；
将上述单片球面镜更换为单片柱面镜引入的相位差
为：
其中，f柱表示单片柱面镜焦距，x2为柱面镜的对应坐标；
柱面显微物镜的相位
为：
其中，
为球面显微物镜的相位，
与球面坐标(x球，y球)和球面显微物镜的焦距F0有关，可与
抵消；
选取单片球面镜，其焦距近似于球面显微物镜焦距；不改变x轴向的曲率半径，改变y轴向曲率半径为无穷大，并使其母线相互平行，得到柱面显微物镜。
5.根据权利要求4所述测量微柱状光学件相位层析信息的柱面显微干涉装置，其特征在于：柱面镜可实现光斑形状的转变，柱面镜只在单一方向对光斑起作用，入射光斑经过单个柱面镜后，光斑横向为高斯型光强分布，纵向为等光强分布，整形后所得光斑为椭圆形。
6.根据权利要求5所述测量微柱状光学件相位层析信息的柱面显微干涉装置，其特征在于：
当高斯光斑通过柱面镜时，入射光斑A在y方向上的能量分布PA(a)为：
其中，a为入射光斑的纵坐标，w0为光斑束腰半径大小，ymax为入射光斑半径，P是入射光斑在[0,ymax]内的总能量；
圆形光斑经过该柱透镜后，所得椭圆光斑在y方向上光强均匀分布，光斑一半宽度取为Ymax，出射椭圆光斑在y方向上的能量分布PB(b)为：
PB(b)＝τP(b/Ymax)2
其中τ为柱透镜能量透过参数，b为出射椭圆光斑的纵坐标，在柱透镜的作用下使得PA(a)＝PB(b)，由此推导出坐标变换方程b(a)：
7.根据权利要求6所述测量微柱状光学件相位层析信息的柱面显微干涉装置，其特征在于：当微柱状光学件为光纤布拉格光栅时，该装置用于对其进行包层形貌检测，以包层位置为中心进行垂直方向上的相干扫描，最后通过对相干信号进行相干峰定位复原形貌结果。
8.根据权利要求6所述测量微柱状光学件相位层析信息的柱面显微干涉装置，其特征在于：当微柱状光学件为光纤布拉格光栅时，该装置用于对光纤布拉格光栅的相位层析信息进行求解，对于光纤布拉格光栅相位层析信息的求解是对光纤直径长度内进行垂直方向上的相干扫描，最后通过对相干信号进行解调得到光纤布拉格光栅沿光束传播方向在检测视场中的相位层析信息。
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