[发明专利]光学镜组镜面间隙测量装置和测量方法

权利要求书

1.一种光学镜组镜面间隙测量装置，为马赫-曾德干涉仪结构，特征在于包括：低相干光源(1)、激光测长光源(2)、红光指示光源(3)、第一光纤耦合器(4)、第二光纤耦合器(5)、第三光纤耦合器(6)、第一光纤环形器(7)、第二光纤环形器(8)、延迟扫描臂(9)、第一光纤准直器(901)、电机驱动移动平台(902)、可移动扫描反射镜(903)、第二光纤准直器(904)、四维调整架(10)、可调焦准直器(11)、测量臂(12)、待测光学镜组(1201)、安装架(1202)、光纤后向反射镜(13)、光电探测器(14)、平衡光电探测器(15)和连接光纤(16)；所述的低相干光源(1)的输出端与第一光纤耦合器(4)第一端口相连接，所述的第一光纤环形器(7)的第一端口和所述的第二光纤环形器(8)的第一端口分别与所述的第一光纤耦合器(4)第三端口和第四端口相连接；所述的延迟扫描臂(9)的第一光纤准直器(901)的输入端与所述的第一光纤环形器(7)的第二端口相连接；所述的光纤后向反射镜(13)的输入端和所述的延迟扫描臂(9)的第二光纤准直器(904)的输入端分别与所述的第三光纤耦合器(6)的第一端口和第二端口相连接；所述的激光测长光源(2)的输出端和所述的光电探测器(14)的输入端分别与所述的第三光纤耦合器(6)第三端口和第四端口相连接；所述的可调焦准直器(11)固定在所述的四维调整架(10)上，所述的红光指示光源(3)的输出端与所述的可调焦准直器(11)输入端相连接；所述的第一光纤环形器(7)的第三端口和所述的第二光纤环形器(8)的第三端口分别与所述的第二光纤耦合器(5)第一端口和第二端口相连接；所述的平衡光电探测器(15)的两个输入端与所述的第二光纤耦合器(5)第三端口和第四端口相连接。

2.根据权利要求1所述的光学镜组镜面间隙测量装置，其特征在于所述的低相干光源(1)为超辐射发光二极管，中心波长1310nm。

3.根据权利要求1所述的光学镜组镜面间隙测量装置，其特征在于所述的激光测长光源(2)为分布式反馈激光器，中心波长1550nm。

4.根据权利要求1所述的光学镜组镜面间隙测量装置，其特征在于所述的第一光纤耦合器(4)和第二光纤耦合器(5)为工作波长1310nm，分束比为50:50光纤耦合器。

5.根据权利要求1所述的光学镜组镜面间隙测量装置，其特征在于所述的第三光纤耦合器(6)为工作波长1550nm，分束比为50:50的光纤耦合器。

6.根据权利要求1所述的光学镜组镜面间隙测量装置，其特征在于所述的第一光纤环形器(7)和第二光纤环形器(8)为工作波长1310nm，三端口的光纤环形器。

7.根据权利要求1所述的光学镜组镜面间隙测量装置，其特征在于所述的光电探测器(14)光谱响应范围为900～1700nm，用于探测1550nm激光测长束所产生的干涉信号。

8.根据权利要求1所述的光学镜组镜面间隙测量装置，其特征在于所述的平衡光电探测器(15)光谱响应范围为900～1700nm，用于探测1310nm测量光束所产生的干涉信号。

9.利用权利要求1所述的光学镜组镜面间隙测量装置对待测光学镜组光学间距的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①将待测光学镜组(1201)固定在安装架(1202)上，将待测光学镜组(1201)放置在可调焦准直器(11)后600mm～900mm之间的某个位置，将红光指示光源(3)通过光纤连接到可调焦准直器(11)的输入端，打开红光指示光源(3)，通过四维调整架(10)调节可调焦准直器(11)使光束汇聚到待测光学镜组(1201)内部，调节所述的可调焦准直器(11)的光轴指向，使待测光学镜组(1201)各表面反射回来的光在所述的可调焦准直器(11)的镜面成一个点，则待测光学镜组(1201)的光轴与可调焦准直器(11)的光轴重合；

②关闭红光指示光源(3)，将第二光纤环形器(8)的第二端口的输出光纤与所述的可调焦准直器(11)的输入端相连接，打开所述的低相干光源(1)和激光测长光源(2)，调节所述的可调焦准直器(11)，使待测光学镜组(1201)的各表面反射光的耦合强度尽可能强；

③所述的延迟扫描臂(9)的电机驱动位移平台(902)，带动可移动扫描反射镜(903)进行匀速扫描，使所述的第三光纤耦合器(6)第四端口输出的激光干涉测长信号输入到光电探测器(14)中，并通过光电探测器(14)将激光干涉测长信号转换电信号，使所述的第二光纤耦合器(5)第三端口和第四端口输出的低相干测量信号输入到平衡光电探测器(15)中，并通过平衡光电探测器(15)将低相干测量信号转换电信号，通过数据采集卡同步采集所述的光电探测器(14)和平衡光电探测器(15)输出的电信号，采集数据输入计算机中；

④计算机利用计算程序定位低相干测量信号中待测光学镜组(1201)各个表面对应的干涉峰值位置，并确定干涉峰值采样点的位置，将该采样点位置对应到激光测长干涉信号相同采样点位置，通过七步相移算法计算出激光测长干涉信号在该采样点的相位值φ_i，I_i-3～I_i+3是以第i个干涉峰值采样点位置为中心连续7个激光测长采样点的强度值，其计算公式为：

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

通过相位解包裹算法对计算出的相位值进行展开，则待测光学镜组(1201)的间隙的物理厚度为：

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

式中，λ₁为低相干光波长，λ₂为测距激光波长，n_g,air(λ₁)为空气在光波长λ₁下的群折射率，n_g(λ₁)为所测透镜组中透镜材料在光波长λ₁下的群折射率，n_air(λ₂)为空气在光波长λ₂下的折射率，φ_i+1和φ_i分别为低相干光干涉信号相邻峰值位置对应的激光测长信号采样点解包裹后的相位值。