[发明专利]倾斜耦合式光纤光谱共焦位移测量方法及装置

权利要求书

1.一种倾斜耦合式光纤光谱共焦位移测量方法及装置，其特征在于：包括光源模块(10)、光纤耦合器(20)、光纤共焦测头(30)和光谱仪(50)；所述光源模块(10)发出的会聚光与所述光纤耦合器(30)的第一端口(201)之间采用一定的倾斜耦合角θ实现倾斜耦合；所述光纤耦合器(20)的第三端口(203)与所述光纤共焦测头(30)连接，在所述光纤耦合器(20)的第三端口(203)处形成空心光束，所述第三端口(203)同时作为所述光纤共焦测头(30)的照明针孔和返回光的探测针孔；返回的测量光经由所述光纤耦合器(20)的第二端口(202)被所述光谱仪(50)接收，所述的光谱仪，用于检测信号光谱光强的峰值波长，并可由波长与聚焦距离之间的关系获得被测面的高度信息。

2.根据权利要求1所述的倾斜耦合式光纤光谱共焦位移测量方法及装置，其特征在于：所述的倾斜耦合角θ，是所述光源模块(10)的光轴与所述光纤耦合器(20)的第一端口(201)的光纤光轴夹角，所述倾斜耦合角θ的确定方法包括以下步骤：

S1：在给定光源光场分布E_θ(r₁)的情况下，计算耦合光在所述光纤耦合器(20)第三端口(203)处各模场的光场分布E_n,θ(r₂)，所述r₁为所述光纤耦合器(20)第一端口(201)处三维坐标矢量，所述r₂为所述光纤耦合器(20)第三端口(203)处的三维坐标矢量；

S2：所述光纤共焦测头(30)的轴向光强响应特性函数表示为：

其中，r₃为探测针孔的三维坐标矢量，表示三维卷积；N为光纤总模场数，n＝1,2，…,N。I_n,θ(r₃)为第n个模场对应的共焦测量光强度，h₁和h₂分别为所述光纤共焦测头(30)的照明臂和探测臂的振幅点扩散函数，D(r₃)为探测区域，O(r₃)为被测物面的反射系数，根据公式(1)，计算得到所述光源模块(10)发出光在倾斜耦合角为θ时的共焦轴向响应特性曲线及曲线半极值宽；

S3：计算当倾斜耦合角为θ时的光源模块(10)与多模光纤的光耦合效率η，η为光纤中各模场的归一化耦合效率η_n之和，光耦合效率函数表示为：

其中，e_n为阶跃折射率光纤第n个模场的光场分布，C_n为各模场耦合系数，N为光纤总模场数，根据公式(2)，计算倾斜耦合角θ下的光耦合效率η；

S4：确定倾斜耦合角θ的值的原则是，在较小的光损失条件下得到高轴向分辨力，结合共焦轴向光强响应特性曲线半极值宽和光耦合效率随θ的变化趋势，从而确定倾斜耦合角的最优值θ_th为所述光源模块(10)与所述光纤耦合器(30)的第一端口(201)的倾斜耦合角。