[发明专利]倾斜耦合式光纤光谱共焦位移测量方法及装置

说明书

本发明公开了一种倾斜耦合式光纤光谱共焦位移测量方法及装置，其利用光线在多模光纤中的传播特性及共焦成像原理建立光谱共焦光场分布函数，并在较小的光耦合损失条件下，通过对光源与光纤的倾斜耦合角进行优化，使光纤共焦测头的轴向光强响应特性曲线半极值宽得以减小；通过本发明的光源调整装置可对光源模块与光纤之间的倾斜耦合状态进行精密调整，为光纤共焦测头提供空心光束照明，进而提高光纤光谱共焦系统的轴向分辨力，并有效抑制了相邻波长光对峰值波长光的强度干扰；本发明不需在共焦测头中加入光瞳掩膜器件，也不需改变光纤共焦测头原有光学结构，具有成本低，易集成的特点，有利于光纤光谱共焦传感器的小型化。

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，具体涉及一种倾斜耦合式光纤光谱共焦位移测量方法及装置。

背景技术

光谱共焦位移测量技术具有大量程和高精度的优点，可实现表面形貌测量、位置测量和缺陷检测等功能，被广泛应用在芯片制造、微光学和微机械零部件加工以及航空发动机叶尖间隙等方面的测量。其中，光纤式光谱共焦位移测量方法是当前的重要研究方向之一，利用光纤可制作小型化传感测头，测量方式灵活，易于加工检测装备的集成。但该方法需要采用多模光纤完成信号光的传输，致使系统中照明与探测针孔的尺寸较大，限制了轴向分辨能力的提高。

在共焦测量技术中，掩膜修正光瞳函数和调控照明光束结构是实现轴向超分辨力的两种常用方法。第一种方法是通过光瞳滤波器调控物镜光瞳面光场分布，改造系统点扩散函数，压缩轴向响应曲线的主瓣宽度。文献《超分辨显微成像环形光瞳的结构设计》(激光杂志，2016)提出将径向偏振光束与环形滤波技术相结合实现三维超分辨，基于径向偏振光束的聚焦模型，利用遗传算法对光瞳环形半径及相位调制因子进行优化设计，设计的7环光瞳滤波器可使横向和轴向分辨率分别提升9％和10.76％。文献《Super-resolution with acomplex-amplitude pupil mask encoded in the first diffraction order ofaphasegrating》(Optics and Lasers in Engineering，2020)利用空间光调制器控制光瞳面的复振幅分布，可生成复杂掩膜图样，调制方式更为灵活。第二种方法是通过调控照明光束结构，优化空心光束内外环半径比例，减弱离焦位置中心区域的照明强度，降低共焦信号中离焦位置处的强度响应，提高共焦系统对焦点位置的分辨能力，文献《Improved chromaticconfocal displacement-sensor based on a spatial-bandpass-filter and X-shapedfiber-coupler》(Optics Express，2019)提出一种基于空间带通滤波器的光谱共焦位移测量系统，通过中心遮光方式产生空心光束，不仅可以减小球差的负面影响，同时能够削弱相邻波长对峰值波长的强度干扰，提高轴向分辨能力。

上述方法均需采用光瞳掩膜器件对波前进行调制，而由于光纤测头体积小，所需光瞳掩膜的结构尺寸也必须非常小，这增加了掩膜器件的加工制作难度和成本；此外，为了使系统达到理想的超分辨效果，甚至需要加入准直光路实现对色散物镜照明，增加了传感测头的体积和复杂性，不利于光纤共焦测头的小型化。

发明内容

本发明提供一种倾斜耦合式光纤光谱共焦位移测量方法及装置，旨在通过调整光纤耦合状态，改变光纤共焦测头的照明形式，在不改变共焦测头光学结构的情况下，提高光纤光谱共焦系统的轴向分辨力，使测头更易集成和小型化。

本发明为达到上述发明目的，采取如下技术方案：