CN208366573U - 一种光纤光谱共聚焦位移传感器色散物镜像质检测设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种光纤光谱共聚焦位移传感器色散物镜像质检测设备，其特征在于：装置包括光源、沿光源光束传播方向依次是光纤、光纤连接端口、待测色散物镜、色散物镜固定架、二维光栅、光栅位移台、光阑板、光阑位移台和二维光电传感器。当待测色散物镜经过光源照射，其波前经过二维光栅分离和剪切后产生干涉图，对不同方向上的剪切干涉产生的差分信息进行波前重建，从而可以准确获得待测色散物镜的成像质量。采用本实用新型的装置进行待测色散物镜的像质检测，无需对光谱共聚焦位移传感器进行结构改造，且可以根据不同规格进行灵活调整，操作简单，检测精度高、速度快。
Description
技术领域
本实用新型涉及非接触式光学精密位移检测技术领域，特别是涉及一种光纤光谱共聚焦位移传感器色散物镜像质检测设备。
背景技术
随着微电子、微机械、微光学等技术的发展，测量分辨率、范围、工作距离等超精密测量指标在结构表面形貌高精度测量、凸台高度绝对微位移测量等几何量超精密测量领域有着更高的发展需求。光谱共聚焦位移检测技术的原理源于经典的共焦显微技术，它是在共焦显微技术的基础上加入了新的光学方法——彩色编码技术，因此扩展了聚焦的深度，解决了共焦显微技术中聚焦深度非常小的问题，使其可以应用在位移测量方面，并保留了共焦显微技术中高信噪比和高分辨率的优点。
与目前常用的激光三角法相比，光谱共焦位移传感器具有更高的分辨力，并且光源发射和接收同光路，不会出现激光三角法光路容易被遮挡或者被测目标过于光滑而接收不到目标反射光的情况，对被测目标适应性强。在光谱共聚焦位移传感器的加工过程中，需要对色散物镜的像质进行高精度的检测，才能保证传感器具有较高的测量精度。然而，受限于本身独特的光学系统结构设计，通用的光学检测设备难以对色散物镜的像质进行检测，因此，有必要设计研发一种光纤光谱共聚焦位移传感器色散物镜像质检测设备。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述在先技术的不足，提供了一种光纤光谱共聚焦位移传感器色散物镜像质检测设备的技术方案。本实用新型无需对待测色散物镜进行结构改造就可以简便地实现像质高精度检测，具有操作简单、速度快、更换方便等优点。
为了解决上述技术问题，本实用新型的技术解决方案如下：
一种光纤光谱共聚焦位移传感器色散物镜像质检测设备，其特征在于：装置包括光源、沿光源光束传播方向依次是光纤、光纤连接端口、待测色散物镜、色散物镜固定架、二维光栅、光栅位移台、光阑板、光阑位移台和二维光电传感器；所述的待测色散物镜固定在色散物镜固定架上，所述的二维光栅置于光栅位移台上，所述的光阑板置于光阑位移台上；所述的光阑板置于待测色散物镜的后焦面上，所述的二维光电传感器置于所述的待测色散物镜的像平面上。
所述的光源，是波长为λ的单色光源。
所述的光纤为单模光纤或多模光纤，该光纤可直接选用光纤光谱共聚焦位移传感器自带的Y型或一字型光纤；所述的光纤，一头通过连接光纤连接端口连接待测色散物镜，另一头连接单色光源。
所述的二维光栅是X、Y方向光栅周期相同的二维光栅，周期T由剪切率s、光源的输出光的波长λ、待测色散物镜像方数值孔径NA、二维光电传感器的直径D和干涉条纹数目m按下式确定，
所述的光栅位移台是将二维光栅移入待测色散物镜像方光路的二维位移台，并且带动二维光栅进行沿X方向和沿Y方向的1/4光栅周期步进运动。
所述的光阑板由完全相同的四个光阑组成，沿四个光阑组成，沿Y方向分别为间距相等的第一方形光阑、第二方形光阑、第三方形光阑，沿X方形第二方形光阑的右边为间距相等的第四方形光阑。
所述的光阑位移台是将二维光栅Y方向的-1级、0级和+1级衍射光的聚焦点分别通过光阑板上的第一方形光阑、第二方形光阑、第三方形光阑，X方向的0级和+1级衍射光的聚焦点分别通过光阑板上的第二方向光阑、第四方形光阑的XYZ三维位移台。
所述的二维光电传感器是CCD、CMOS或二维光电探测器阵列。
利用本实用新型提出的一种光纤光谱共聚焦位移传感器色散物镜像质检测设备进行检测的步骤如下：
（1）将待测色散物镜从光谱共聚焦位移传感器上取下，选取光纤一头接入波长为λ的单色光源，另一头连接待测色散物镜的光纤连接端口。
（2）根据待测色散物镜的像方数值孔径NA，选择二维光栅，光栅周期T根据剪切率s、光源的输出光的波长λ、待测色散物镜的像方数值孔径NA、二维光电传感器的直径D和干涉条纹数目m，按下式确定，
。
（3）将连接了波长为λ单色光源的待测色散物镜固定在色散物镜固定架上；所述的光阑板置于待测色散物镜的后焦面上，所述的二维光电传感器置于所述的待测色散物镜的像平面上，移动所述的光栅位移台，将二维光栅移入待测色散物镜的像方光路；然后移动光阑位移平台，使得二维光栅Y方向的-1级、0级和+1级衍射光的聚焦点分别通过光阑板的第一方形光阑、第二方形光阑、第三方形光阑，X方向的0级和+1级衍射光的聚焦点分别通过光阑板上的第三方形光阑、第四方形光阑。
（4）所述的光栅位移台沿X方向移动二维光栅，移动4次，每次移动1/4光栅周期，每次移动后所述的二维光电传感器记录一次干涉图Ixi，其中i=1,2,3,4；根据4张干涉图，进行相位提取，解包裹，得到差分波前△Wx。
（5）所述的光栅位移台沿X方向将二维光栅，使得二维光栅Y方向的-1级、0级和+1级衍射光的聚焦点分别通过光阑板的第一方形光阑、第二方形光阑、第三方形光阑，X方形的0级和+1级衍射光的聚焦点分别通过光阑板上的第三方形光阑、第四方形光阑。
（6）所述的光栅位移台沿Y方向移动二维光栅，移动4次，每次移动1/4光栅周期，每次移动后所述的二维光电传感器记录一次干涉图Iyi，其中i=1,2,3,4；根据4张干涉图，进行相位提取，解包裹，得到差分波前△Wy。
（7）利用波前重建算法对差分波前进行重建，从而获得待测色散物镜的波像差。
本实用新型至少具有以下有益效果：（1）无需对光谱共聚焦位移传感器进行结构改造，就可以直接进行检测，且可以根据不同规格的光谱共聚焦位移传感器的色散物镜进行灵活调整，适应性强；检测过程操作简单，便于大批量的色散物镜像质检测；（2）采用四步相移干涉技术进行相位提取，检测精度高、速度快。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。
附图说明
图1为本实用新型的检测装置示意图。
图2为本实用新型二维光栅结构示意图。
图3为本实用新型光阑板结构示意图。
图中各标示名称：1、光源；2、光纤；3、光纤连接端口；4、待测色散物镜；5、色散物镜固定架；6、二维光栅；7、光栅位移台；8、光阑板；9、光阑位移台；10、二维光电传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
先请参阅附图1，图1是本实用新型一种光纤光谱共聚焦位移传感器色散物镜像质检测设备的装置示意图，由图可见，本实用新型一种光纤光谱共聚焦位移传感器色散物镜像质检测设备，其特征在于：装置包括光源1，沿光源1光束传播方向依次是光纤2、光纤连接端口3、待测色散物镜4、色散物镜固定架5、二维光栅6、光栅位移台7、光阑板8、光阑位移台9和二维光电传感器10；所述的待测色散物镜4固定在色散物镜固定架5上，所述的二维光栅6置于光栅位移台7上，所述的光阑板8置于光阑位移台9上；所述的光阑板8置于待测色散物镜4的后焦面上，所述的二维光电传感器10置于所述的待测色散物镜4的像平面上。
所述的光源1，是波长为λ的单色光源。
所述的光纤2为单模光纤或多模光纤，该光纤可直接选用光纤光谱共聚焦位移传感器自带的Y型或一字型光纤；所述的光纤2，一头通过连接光纤连接端口3连接待测色散物镜4，另一头连接单色光源1。
所述的二维光栅6是X、Y方向光栅周期相同的二维光栅，周期T由剪切率s、光源1的输出光的波长λ、待测色散物镜4像方数值孔径NA、二维光电传感器10的直径D和干涉条纹数目m按下式确定，
。
所述的光栅位移台7是将二维光栅6移入待测色散物镜4像方光路的二维位移台，并且带动二维光栅6进行沿X方向和沿Y方向的1/4光栅周期步进运动。
所述的光阑板8由完全相同的四个光阑组成，沿四个光阑组成，沿Y方向分别为间距相等的第一方形光阑801、第二方形光阑802、第三方形光阑803，沿X方形第二方形光阑802的右边为间距相等的第四方形光阑804。
所述的光阑位移台7是将二维光栅6Y方向的-1级、0级和+1级衍射光的聚焦点分别通过光阑板上的第一方形光阑801、第二方形光阑802、第三方形光阑803，X方向的0级和+1级衍射光的聚焦点分别通过光阑板上的第二方向光阑802、第四方形光阑804的XYZ三维位移台。
所述的二维光电传感器10是CCD、CMOS或二维光电探测器阵列；当待测色散物镜经过光源照射，其波前经过二维光栅4分离和剪切后产生干涉图，二维光电传感器10采集这些干涉图并记录。
利用本实用新型提出的一种光纤光谱共聚焦位移传感器色散物镜像质检测设备进行检测的步骤如下：
（1）将待测色散物镜4从光谱共聚焦位移传感器上取下，选取光纤2一头接入波长为λ的单色光源1，另一头连接待测色散物镜4的光纤连接端口3。
（2）根据待测色散物镜4的像方数值孔径NA，选择二维光栅6，光栅周期T根据剪切率s、光源1的输出光的波长λ、待测色散物镜4的像方数值孔径NA、二维光电传感器10的直径D和干涉条纹数目m，按下式确定，
。
（3）将连接了波长为λ单色光源1的待测色散物镜4固定在色散物镜4固定架上；所述的光阑板8置于待测色散物镜4的后焦面上，所述的二维光电传感器10置于所述的待测色散物镜4的像平面上，移动所述的光栅位移台7，将二维光栅6移入待测色散物镜4的像方光路；然后移动光阑位移平台9，使得二维光栅6Y方向的-1级、0级和+1级衍射光的聚焦点分别通过光阑板8的第一方形光阑801、第二方形光阑802、第三方形光阑803，X方向的0级和+1级衍射光的聚焦点分别通过光阑板8上的第三方形光阑803、第四方形光阑804。
（4）所述的光栅位移台7沿X方向移动二维光栅6，移动4次，每次移动1/4光栅周期，每次移动后所述的二维光电传感器10记录一次干涉图Ixi，其中i=1，2,3,4；根据4张干涉图，进行相位提取，解包裹，得到差分波前△Wx。
（5）所述的光栅位移台7沿X方向将二维光栅6，使得二维光栅6Y方向的-1级、0级和+1级衍射光的聚焦点分别通过光阑板8的第一方形光阑801、第二方形光阑802、第三方形光阑803，X方形的0级和+1级衍射光的聚焦点分别通过光阑板8上的第三方形光阑803、第四方形光阑804。
（6）所述的光栅位移台7沿Y方向移动二维光栅6，移动4次，每次移动1/4光栅周期，每次移动后所述的二维光电传感器10记录一次干涉图Iyi，其中i=1，2,3,4；根据4张干涉图，进行相位提取，解包裹，得到差分波前△Wy。
（7）利用波前重建算法对差分波前进行重建，从而获得待测色散物镜4的波像差。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.一种光纤光谱共聚焦位移传感器色散物镜像质检测设备，其特征在于：装置包括光源（1），沿光源（1）光束传播方向依次是光纤（2）、光纤连接端口（3）、待测色散物镜（4）、色散物镜固定架（5）、二维光栅（6）、光栅位移台（7）、光阑板（8）、光阑位移台（9）和二维光电传感器（10）；所述的光源（1），是波长为λ的单色光源；所述的待测色散物镜（4）固定在色散物镜固定架（5）上，所述的二维光栅（6）置于光栅位移台（7）上，所述的光阑板（8）置于光阑位移台（9）上；所述的光阑板（8）置于待测色散物镜（4）的后焦面上，所述的二维光电传感器（10）置于所述的待测色散物镜（4）的像平面上；所述的光栅位移台（7）是将二维光栅（6）移入待测色散物镜（4）像方光路的二维位移台，并且带动二维光栅（6）进行沿X方向和沿Y方向的1/4光栅周期步进运动；所述的光阑板（8）由完全相同的四个光阑组成，沿四个光阑组成，沿Y方向分别为间距相等的第一方形光阑（801）、第二方形光阑（802）、第三方形光阑（803），沿X方形第二方形光阑（802）的右边为间距相等的第四方形光阑（804）。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光谱共聚焦位移传感器色散物镜像质检测设备，其特征在于：所述的光纤（2）为单模光纤或多模光纤，该光纤可直接选用光纤光谱共聚焦位移传感器自带的Y型或一字型光纤；所述的光纤（2），一头通过连接光纤连接端口（3）连接待测色散物镜（4），另一头连接光源（1）。
3.根据权利要求1所述的一种光纤光谱共聚焦位移传感器色散物镜像质检测设备，其特征在于：所述的二维光栅（6）是X、Y方向光栅周期相同的二维光栅，周期T由剪切率s、光源（1）的输出光的波长λ、待测色散物镜（4）像方数值孔径NA、二维光电传感器（10）的直径D和干涉条纹数目m按下式确定，
。
4.根据权利要求1所述的一种光纤光谱共聚焦位移传感器色散物镜像质检测设备，其特征在于：所述的光阑位移台（7）是将二维光栅（6）Y方向的-1级、0级和+1级衍射光的聚焦点分别通过光阑板上的第一方形光阑（801）、第二方形光阑（802）、第三方形光阑（803），X方向的0级和+1级衍射光的聚焦点分别通过光阑板上的第二方向光阑（802）、第四方形光阑（804）的XYZ三维位移台。
5.根据权利要求1所述的一种光纤光谱共聚焦位移传感器色散物镜像质检测设备，其特征在于：所述的二维光电传感器（10）是CCD、CMOS或二维光电探测器阵列；当待测色散物镜（4）经过光源照射，其波前经过二维光栅（6）分离和剪切后产生干涉图，二维光电传感器（10）采集这些干涉图并记录。
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