透鏡組鏡面間距的測量裝置和測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及測量裝置，特別是一種透鏡組鏡面間距的測量裝置和測量方法。
【背景技術】
[0002] 在多數光學系統中，透鏡的中心厚度和透鏡間的間距是決定光學系統性能的關鍵 指標，特別是在高精密光學系統中，對透鏡中心厚度和鏡面間距有著嚴格的公差要求。在傳 統的光學鏡面間距測量技術中，可以分為接觸式測量和非接觸式測量:接觸式測量主要采 用百分表或千分表等對透鏡厚度和鏡面間距進行測量，但容易對透鏡表面造成損傷。非接 觸式測量主要包括圖像法、軸向色散法、電容法和差動共焦法等，但上述方法都難以滿足較 長光學系統的測量要求。
[0003] 在現有技術1中，"白光干涉透鏡中心厚度測量系統及方法"（參見中國專利CN 104154869 A)中，公開了一種利用白光干涉對透鏡中心厚度進行測量的測量方法，其通過 在掃描參考臂中加入折疊光路的方法增大系統的測量范圍，但需要保證掃描參考臂中所有 光學元件的高度穩定性，而且參考光經過角反射鏡、平面反射鏡的多次反射后會有較大的 損耗，對待測透鏡組中鏡面反射光中弱信號的提取是不利的，使得測量精度和測量范圍降 低。
[0004] 在現有技術2中，"高精度光學間隔測量裝置和測量方法"（參見中國專利CN 104215176 A)中，公開了一種基于光纖邁克爾遜干涉原理的測量方法，其采用雙光纖耦合 器結構實現白光干涉測量結構和激光測長結構的共光路設計，消除環境因素對光纖結構的 影響。由于受到制造水平和外形結構尺寸的約束，該專利中的延遲掃描光路用到的電機驅 動移動平臺不可能無限加長，這樣就限制了其測量范圍。另外，待測物中的鏡面反射光信號 會多次經過光纖耦合器，信號強度會有很大衰減，難以對弱信號進行提取，影響測量范圍和 測量精度。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是為解決現有鏡面間距測量裝置測量范圍小及測量精度低的技術 問題，提出一種透鏡組鏡面間距的測量裝置和測量方法，該方法具有測量范圍大及測量精 度高的特點。
[0006] 本發明解決現有技術問題采用的技術方案如下：
[0007] -種透鏡組鏡面間距的測量裝置，其特點在于:包括:低相干光源、激光測長光源、 紅光指示光源、第一波分復用器、第二波分復用器、第三波分復用器、光纖耦合器、第一 MEMS 光開關、第二MEMS光開關、延遲掃描臂、可調焦準直器、四維調整架、待測透鏡組、安裝架、光 纖后向反射鏡、第一光電探測器、第二光電探測器、連接光纖、數據采集系統和數據處理單 J L· 〇
[0008] 所述的低相干光源和激光測長光源的輸出端分別與所述的第一波分復用器的第 一端口和第二端口相連接，所述的第一波分復用器的第三端口與所述的光纖親合器的第一 端口相連接;所述的第一光電探測器和所述的第二光電探測器的輸入端分別與所述的第二 波分復用器的第一端口和第二端口相連接，所述的第二波分復用器的第三端口與所述的光 纖耦合器的第二端口相連接，所述的第一光電探測器和第二光電探測器的輸出信號通過數 據采集系統采集后，由數據處理單元進行處理;所述的第一MEMS光開關具有1個輸入端和N 個輸出端，所述的第二MEMS光開關具有N個輸入端和1個輸出端，所述的第一 MEMS光開關的N 個輸出端分別與所述的第二MEMS光開關對應的的N個輸入端通過不同長度的延遲光纖相連 接，形成不同的測量通道，所述的第二MEMS光開關的輸出端與所述的延遲掃描臂中的光纖 準直器相連接，所述的第一 MEMS光開關的輸入端與光纖親合器的第三端口相連接;所述的 可調焦準直器安裝在四維調整架上，所述的待測透鏡組固定在安裝架上，所述的紅光指示 光源的輸出端與所述的可調焦準直器相連接，同時所述的第三波分復用器的第三端口與所 述的可調焦準直器相連接，所述的光纖后向反射鏡的輸入端口與所述的第三波分復用器的 第二端口相連接，所述的第三波分復用器的第一端口與所述的光纖耦合器的第四端相連 接。
[0009]所述的低相干光源為超輻射發光二極管，中心波長1310nm，為寬帶光源，相干長度 較短，作為測量系統的干涉測量光源。
[0010]所述的激光測長光源為分布式反饋激光器，中心波長1550nm，具有良好的單色性， 作為測量系統的測長定位光源。
[0011] 所述的紅色指示光源為激光二極管，發出的紅色指示光用以配合待測透鏡組光軸 位置的調節。
[0012] 所述的第一波分復用器、第二波分復用器和第三波分復用器為1310nm和1550nm的 波分復用器，用于低相干測量光束和激光測長光束的分束和合束。
[0013] 所述的光纖親合器是工作波長為1310nm和1550nm，分束比為50:50的光纖親合器， 用于低相干測量光束和激光測長光束的親合。
[0014] 所述的第一 MEMS光開關和第二MEMS光開關為工作波長1310nm和1550nm的微機電 光開關，其對應端口之間用不同長度的光纖連接，組合成具有不同光程的通道，通過切換通 道使其具有不同的測量區間。
[0015] 所述的延遲掃描臂包括光纖準直器、可移動掃描反射鏡和電機驅動位移平臺。光 纖準直器放置于延遲掃描臂的最前端，延遲掃描臂通過光纖準直器與第二MEMS光開關連 接，低相干測量光束通過光纖準直器準直后入射到可移動掃描反射鏡上并反射回到第二 MEMS光開關中，通過第二MEMS光開關和第一MEMS光開關后進入光纖耦合器中；可移動掃描 反射鏡安裝在一個電機驅動位移平臺上，測量過程中以一定的速度勻速運動，其位置由激 光測長光束分別在光纖后向反射鏡和可移動掃描反射鏡的反射光束所產生的干涉信號得 到。
[0016] 所述的光纖后向反射鏡作為激光測長光束的參考反射臂。
[0017] 所述的第一光電探測器用于探測1310nm低相干測量光束所產生的干涉信號。
[0018] 所述的第二光電探測器用于探測1550nm激光測長光束所產生的干涉信號。
[0019] 所述的數據采集系統用于干涉信號的同步采集。
[0020] 所述的數據處理單元用于峰值定位及鏡面間距計算。
[0021] 測量裝置中低相干光源發出的光束和激光測長光源發出的光束通過波分復用器 合并為一束，經過光纖親合器后分為兩束（每一束中都包含13lOnm低相干測量光束和 1550nm激光測長光束），其中一束通過第一 MEMS光開關和第二MEMS光開關進入延遲掃描臂， 光束通過光準直器準直后被可移動掃描反射鏡所反射，反射光束通過第二MEMS光開關和第 一MEMS光開關進入光纖耦合器中；另一束通過第三波分復用器分為1310nm低相干測量光束 和1550nm激光測長光束，1550nm激光測長光束經過光纖后向反射鏡反射后通過第三波分復 用器返回到光纖耦合器中，1310nm低相干測量光束通過可調焦準直器聚焦在待測透鏡組的 內部，待測透鏡組各表面的反射光束通過波分復用器進入光纖耦合器中。掃描反射鏡在掃 描過程中，當低相干測量光束的反射光束與待測透鏡組中某一反射面的反射光束的光程差 為零時，會在光纖耦合器中產生干涉峰值，同時測長光束的反射光束與光纖反射鏡的反射 光束在光纖耦合器中發生干涉，低相干測量光束的干涉信號和激光測長光束的干涉信號通 過第二波分復用器分離，分別被第一光電探測器和第二光電探測器所接收，數據采集系統 同步采集第一光電探測器和第二光電探測器的信號，輸入到數據處理單元進行處理。
[0022] 利用上述光學鏡面間距測量裝置對待測透鏡組光學間距的測量方法，該方法包括 下列步驟：
[0023]步驟一、將待測透鏡組固定在安裝架上，將其放置在可調焦準直器后600mm~ 900mm之間的某個位置，將紅光指示光源通過光纖連接到可調焦準直器，打開紅光指示光 源，調節可調焦準直器使光束匯聚到待測透鏡組內部的某一位置，并通過四維調整架調節 可調焦準直器的光軸指向，