[發明專利]透鏡組鏡面間距的測量裝置和測量方法

有效

• 申請號: 201610012511.4
• 申請日: 2016-01-08
• 公開（公告）號: CN105674903B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: 楊寶喜;師中華;胡小邦;魏張帆;李璟;陳明;黃惠杰
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01B11/14
• 分類號: G01B11/14
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司31213
• 代理人: 張澤純,張寧展

1.一種透鏡組鏡面間距的測量裝置，其特征在于：包括低相干光源(1)、激光測長光源(2)、紅光指示光源(3)、第一波分復用器(4)、第二波分復用器(5)、第三波分復用器(6)、光纖耦合器(7)、第一MEMS光開關(8)、第二MEMS光開關(9)、延遲掃描臂(10)、四維調整架(11)、可調焦準直器(12)、待測透鏡組(13)、安裝架(14)、光纖后向反射鏡(15)、第一光電探測器(16)、第二光電探測器(17)、數據采集系統(19)和數據處理單元(20)，所述的延遲掃描臂(10)包括光纖準直器(1001)、電機驅動移動平臺(1002)和可移動掃描反射鏡(1003)，所述的可移動掃描反射鏡(1003)置于所述的電機驅動移動平臺(1002)上；

所述的低相干光源(1)和激光測長光源(2)的輸出端分別通過光纖(18)與所述的第一波分復用器(4)的第一端口和第二端口相連，所述的第一波分復用器(4)的第三端口通過光纖(18)與所述的光纖耦合器(7)的第一端口相連接；所述的第二波分復用器(5)的第三端口通過光纖(18)和所述的光纖耦合器(7)的第二端口相連，所述的第一MEMS光開關(8)具有1個輸入端和N個輸出端，所述的第二MEMS光開關(9)具有N個輸入端和1個輸出端，所述的第一MEMS光開關(8)的N個輸出端分別與所述的第二MEMS光開關(9)對應的N個輸入端通過不同長度的延遲光纖相連接，形成不同長度的測量通道的開關組，所述的第一MEMS光開關(8)的輸入端通過光纖(18)與光纖耦合器(7)的第三端口相連接，所述的第二MEMS光開關(9)的輸出端與所述的延遲掃描臂(10)中的光纖準直器(1001)相連接；所述的光纖耦合器(7)的第四端口通過光纖(18)與所述的第三波分復用器(6)的第一端口相連，所述的第三波分復用器(6)的第二端口通過光纖(18)與所述的光纖后向反射鏡(15)的輸入端口相連，所述的第三波分復用器(6)的第一端口通過光纖(18)與所述的光纖耦合器(7)的第四端口相連接，所述的第三波分復用器(6)的第三端口具有連接光纖(18)，所述的紅光指示光源(3)的輸出端具有連接光纖(18)，所述的可調焦準直器(12)安裝在四維調整架(11)上，所述的待測透鏡組(13)固定在所述的安裝架(14)上；所述的第一光電探測器(16)和所述的第二光電探測器(17)的輸入端分別通過光纖(18)與所述的第二波分復用器(5)的第一端口和第二端口相連，所述的第一光電探測器(16)和第二光電探測器(17)的輸出端經所述的數據采集系統(19)與所述的數據處理單元(20)相連。

2.根據權利要求1所述的透鏡組鏡面間距的測量裝置，其特征在于所述的低相干光源(1)為超輻射發光二極管，中心波長1310nm。

3.根據權利要求1所述的透鏡組鏡面間距的測量裝置，其特征在于所述的激光測長光源(2)為分布式反饋激光器，中心波長1550nm。

4.根據權利要求1所述的透鏡組鏡面間距的測量裝置，其特征在于所述的紅光指示光源(3)為激光二極管，中心波長655nm。

5.根據權利要求1所述的透鏡組鏡面間距的測量裝置，其特征在于所述的第一波分復用器(4)、第二波分復用器(5)和第三波分復用器(6)為能夠同時在1310nm和1550nm波長下工作的波分復用器。

6.根據權利要求1所述的透鏡組鏡面間距的測量裝置，其特征在于所述的光纖耦合器(7)是能夠同時在1310nm和1550nm波長下工作，分束比為50:50的光纖耦合器。

7.根據權利要求1所述的透鏡組鏡面間距的測量裝置，其特征在于所述的第一MEMS光開關(8)和第二MEMS光開關(9)為能夠同時在1310nm和1550nm波長下工作的微機電光開關。

8.根據權利要求1所述的透鏡組鏡面間距的測量裝置，其特征在于所述的第一光電探測器(16)和第二光電探測器(17)的光譜響應范圍為900～1700nm，分別接收波長1310nm的低相干測量光束及波長1550nm的激光測長光束所產生的干涉信號。

9.利用權利要求1所述的透鏡組鏡面間距的測量裝置對待測透鏡組的鏡面光學間距的測量方法，其特征在于該方法包括下列步驟：

①將待測透鏡組(13)固定在安裝架(14)上，將待測透鏡組(13)處于所述的可調焦準直器(12)后600mm～900mm之間的某個位置，將紅光指示光源(3)的輸出光纖連接到所述的可調焦準直器(12)的前焦點，打開紅光指示光源(3)，通過所述的四維調整架(11)調節所述的可調焦準直器(12)，使所述的紅光指示光源(3)輸出的光束匯聚到待測透鏡組(13)內部，并調節可調焦準直器(12)的光軸指向，使待測透鏡組(13)的各表面反射回來的光點重合，則待測透鏡組(13)的光軸與可調焦準直器(12)出射光的光軸重合，然后關閉所述的紅光指示光源(3)，將所述的紅光指示光源(3)的輸出光纖從所述的可調焦準直器(12)的輸入端移開；

②將所述的第三波分復用器(6)的第三端口的輸出光纖連接到所述的可調焦準直器(12)的輸入端，打開所述的低相干光源(1)和激光測長光源(2)，通過數據采集系統(19)的顯示波形，調節所述的可調焦準直器(12)，使從所述的第三波分復用器(6)的第三端口輸出的低相干測量光束匯聚到待測透鏡組(13)內部，使待測透鏡組(13)中各表面反射光的耦合強度達到最強；

③打開所述的第一MEMS光開關(8)和第二MEMS光開關(9)所構成的光開關組的第一通道，控制所述的延遲掃描臂(10)中的電機驅動移動平臺(1002)，使電機驅動移動平臺(1002)帶動所述的可移動掃描反射鏡(1003)移動進行掃描，然后打開光開關組的第二通道，使電機驅動移動平臺(1002)帶動可移動掃描反射鏡(1003)移動進行再次掃描，重復上述過程直至光開關組的第N個通道掃描完成，通過數據采集系統(19)同步采集每次掃描過程中第一光電探測器(16)和第二光電探測器(17)輸出的電信號，輸入到數據處理單元(20)；

④所述的數據處理單元(20)利用標定算法確定光開關組不同通道測量范圍，利用計算程序定位低相干測量信號中待測透鏡組(13)各個表面對應的干涉峰值位置，并確定干涉峰值采樣點的位置，將該采樣點位置對應到激光測長干涉信號相同采樣點位置，通過七步相移算法計算出激光測長干涉信號在該采樣點的相位值φ_i，I_i-3～I_i+3是以第i個干涉峰值采樣點位置為中心連續7個激光測長采樣點的強度值，其計算公式為：

φ=arctan(4(2Ii-Ii-2-Ii+2)Ii-3-7Ii-1+7Ii+1-Ii+3)]]>

通過相位解包裹算法對計算出的相位值進行展開,則待測透鏡組(13)的每個間隙的物理厚度為：

Dmea=ng,air(λ1)ng(λ1)·nair(λ2)·(φi+1-φi)·λ24π]]>

式中，λ₁為低相干光波長，λ₂為測距激光波長，n_g,air(λ₁)為空氣在光波長λ₁下的群折射率，n_g(λ₁)為所測透鏡組中透鏡材料在光波長λ₁下的群折射率，n_air(λ₂)為空氣在光波長λ₂下的折射率，φ_i+1和φ_i分別為低相干光干涉信號相鄰峰值位置對應的激光測長信號采樣點解包裹后的相位值。