[發明專利]基于光學傳遞函數的同時測量多個絕對距離的方法

有效

• 申請號: 201610353004.7
• 申請日: 2016-05-25
• 公開（公告）號: CN105806240B
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 趙偉瑞;蔣俊倫
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01B11/14
• 分類號: G01B11/14
• 代理公司: 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙)11639
• 代理人: 鮑文娟

技術領域

本發明涉及基于光學傳遞函數的同時測量多個絕對距離的方法，是一種高精度、毫米量級測量范圍、可實現多個絕對距離同時測量的方法，屬于光電檢測技術領域。

技術背景

在天文學、精密測量學、軍事技術中，常需要對多個幾納米到幾微米的微小臺階高度(即參考鏡與被測鏡沿光軸方向的絕對距離)進行高精度測量。針對多個微小臺階高度的高精度測量，國內外學者已經提出了很多不同的測量方法，這些方法總體上可以分為兩類。

第一類是電學檢測方法，常用的有電容測微法和電感測微法。電學檢測方法可以實現多個微小臺階的并行測量，但容易受到環境溫度、濕度以及電磁場分布的影響，從而影響測量精度。

第二類是光學檢測方法，所要測量的實際臺階高度與參考光路和測量光路之間的光程差(Optical Path Difference,OPD)相對應，對于反射式光路而言OPD 是所測臺階高度ΔL的兩倍，通過測量OPD即可得到實際微小臺階高度。常用的二維色散條紋法可以實現微小臺階的高精度測量，但這種方法每次只能測量一塊被測鏡相對參考鏡的光程差。

發明內容

本發明的目的是為了解決上述技術問題，提出了一種基于光學傳遞函數的同時測量多個絕對距離的方法。該方法在出瞳設置光闌，光闌上設置多個離散光闌孔，分別采集參考光路和多個測量光路的光波，各光波通過會聚透鏡在焦面上發生干涉-衍射，得到系統焦面光強分布即點擴散函數(Point Spread Function，PSF)，繼而得到系統的光學調制傳遞函數(Modulation Transfer Function， MTF)非歸一化側峰值MTF_ph，再對其歸一化得到MTF_nph，再由MTF_nph與ΔL 的關系計算出ΔL，從而實現了高效、高精度的瞬態絕對距離測量。為了能夠同時測量多個絕對距離，應使與各個被測鏡相對應的MTF_nph不發生重疊，故需研究非冗余光闌孔的設置，這是本發明的關鍵所在。

本發明使用的光路，包含平行光光源、分光板、參考鏡、多個被測鏡、光闌、聚焦透鏡，其中光闌放置在光路的出瞳處。光源發出的平行光經過分光板到達參考鏡和被測鏡上，經參考鏡和被測鏡反射，攜帶光程差信息的平面光波分別通過光闌上的離散光闌孔，再通過聚焦透鏡在焦平面上，發生干涉和衍射。

本發明的目的通過以下技術方案實現。

基于光學傳遞函數的同時測量多個絕對距離的方法，包含步驟如下：

步驟一、在系統的出瞳處設置光闌，光闌上設置的N個離散的圓光闌孔分別采集參考光路與N-1路測量光路的光波，攜帶光程差信息的平面光波通過光闌孔后發生衍射-干涉。定義參考光闌孔與被測光闌孔的中心連線為基線。為了實現光闌孔的非冗余排列，其余的光闌孔設置原則如下：以參考光闌孔作為基準，首先盡量將被測光闌孔設置在不同基線方向上；其次對于在同一基線上的被測光闌孔，應保證任意兩個被測光闌孔中心距不與被測光闌孔和參考光闌孔的中心距相同；當任意兩個被測光闌孔中心距與某基線上被測光闌孔和參考光闌孔的中心距相同時，兩被測光闌孔中心連線應不與基線平行。

步驟二、光波經過聚焦透鏡在焦平面上發生干涉-衍射現象，焦面上的光強分布即為PSF，對PSF進行傅里葉變換、取模，即可得到系統的MTF。MTF包含一個主峰、多個側峰，標記出每一個測量光波與參考光波形成的MTF側峰位置，記錄MTF側峰歸一化峰值MTF_nph的數值。

步驟三、推導MTF_nph與△L的函數關系。依據傅里葉光學，兩個光闌孔形成的PSF為：

其中，△L為要測量的臺階高度，f為聚焦透鏡的焦距，λ為所用光源的波長，k 為波數，k＝2π/λ，λ₀為所用光源的中心波長，Δλ表示帶寬，D為光闌孔的直徑， J₁()表示一階貝塞爾函數，B為兩個光闌孔的距離。

利用微分求和對(1)式進行化簡：

其中n為所用波長帶寬采樣數。

對(2)式進行傅里葉變換、歸一化處理，可得側峰歸一化峰值MTF_nph與△L 的函數關系：

步驟四、將步驟二測得的各個側峰歸一化峰值帶入公式(3)，計算出N-1路絕對距離。

有益效果

本發明對比已有技術具有以下創新點：

通過在出瞳處設置帶有N個離散光闌孔的光闌，實現了多個絕對距離的同時測量。