[发明专利]基于矩阵光学计算的非接触式镜面间隔测量方法

权利要求书

1.一种基于矩阵光学计算的非接触式镜面间隔测量方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一、打开光源使其发出的光线进入光纤耦合器(02)，经光纤耦合器(02)分成两部分，一路进入测量臂(1)由测量头(03)准直，并经被测镜组(04)中各透镜表面反射，再返回光纤耦合器(02)；另一路进入参考臂(2)，由准直镜(05)准直，并经反射镜(06)反射，返回光纤耦合器(02)；两路反射光的光程差匹配在相干长度以内，由探测器(07)探测两路反射光的干涉信号；

步骤二、确定测量臂光路中位置参数候选区域(x_p，y_p)；该候选区域是一系列位置参数的集合；在该区域中，不同的位置参数组合，使被测镜组中各透镜表面返回光纤耦合器(02)的能量值都能取到最大；方法如下：

(1)针对被测镜组(04)任一透镜表面i，在测量头(0 3)中两透镜之间的距离x确定的前提下，改变工作距离y，找到一个y值使得返回到光纤耦合器(02)的能量值最大，定义此时的y值为最佳y值；在x定义域内，每改变一次x，找出对应的最佳y值；在x定义域内取最大的最佳y值对应的返回能量值作为针对单一透镜表面i全x定义域的最大能量值P_maxi，对应的测量头(0 3)中两透镜之间的距离x和工作距离y即为位置参数，记为(x_maxi，y_maxi)，即

(2)按照与透镜表面i相同的方法，找到被测镜组(04)中其他透镜表面所对应的测量头(0 3)中两透镜之间的距离x和工作距离y的位置参数；

(3)取n为被测镜组(04)中透镜表面的数量；设定x_p1～x_p2为候选x_p区域；同理，取并设y_p1～y_p2为候选y_p区域；则由此确定位置参数候选区域(x_p，y_p)；

步骤三、在上述位置参数候选区域(x_p，y_p)内，确定被测镜组测量的最佳位置参数(x_best，y_best)；在该位置参数下对被测镜组(04)中所有透镜的厚度及表面的空气间隔进行测量；方法如下：

(1)在候选区域中，针对任一位置参数(x，y)组合，被测镜组中各透镜表面返回光纤耦合器(02)的能量值记为P_i(x，y)，i＝1，2，...，n，n为被测镜组(04)中透镜表面的数量；

(2)取P_i(x，y)的最小值min(P_i(x，y))，为指定位置参数下被测镜组所有透镜表面中的最小返回能量值；

(3)在整个候选区域的位置参数组合下，对最小值min(P_i(x，y))寻找最大能量值位置，此时的位置参数即为最佳位置参数，记为(x_best，y_best)。

2.根据权利要求1所述的基于矩阵光学计算的非接触式镜面间隔测量方法，其特征在于：针对被测镜组(04)中第i个透镜表面04-i，返回到光纤耦合器(02)的能量值P_i的计算方法如下：

(1)根据公式(1)计算正向传输变换矩阵M_f(i+4)；

M_fj＝T_fj*R_f(j-1)*M_f(j-1) (1)

其中，j＝1，2，3，4分别对应测量头表面03-1-1，03-1-2，03-2-1，03-2-2；j＝i+4对应被测镜组的第i个透镜表面；t_j为表面j与表面(j-1)两个相邻表面间的距离，n_j为该相邻表面间对应区域的折射率；n_j1，n_j2分别为表面j前、后区域的折射率，R_j为表面j的曲率半径；T_fj为表面j的正向传输变换矩阵，R_fj为表面j的正向折射变换矩阵，M_fj为表面j的总的正向变换矩阵；

(2)根据公式(2)计算逆向传输变换矩阵M_b(i+4)；

M_bj＝M_b(j-1)*R_b(j-1)*T_bj (2)

其中，j＝1，2，3，4分别对应测量头表面03-1-1，03-1-2，03-2-1，03-2-2；j＝i+4对应被测镜组的第i个透镜表面， T_bj为表面j的逆向传输变换矩阵，R_bj为表面j的逆向折射变换矩阵，M_bj为表面j总的逆向变换矩阵；

(3)根据公式(3)计算反射变换矩阵为S_i+4：

(4)根据公式(4)计算总变换矩阵：

(5)根据公式(5)～(7)计算高斯参数：

q₁为激光光源在入射端的参数值，R₁为激光光源在入射端的波前曲率，λ为激光光源波长，w₁为激光光源在入射端的光束半径；q_2i为激光光源经过被测镜组任一透镜表面04-i后的激光参数值，R_2i为激光光源经被测镜组第i个透镜表面04-i反射回光纤耦合器的波前曲率，ω_2i为激光光源经被测镜组第i个透镜表面04-i反射回光纤耦合器处的光束半径；

(6)根据公式(8)～(9)计算耦合能量：

其中ψ_si为激光束经过被测镜组的第i个透镜表面04-i的场分布函数，r＝0～a，a为光纤的纤芯半径，ψ_f为光纤的场分布函数。