用于光學(xué)元件加工質(zhì)量在線檢測(cè)的光纖干涉共焦系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種用于光學(xué)元件加工質(zhì)量在線檢測(cè)的光纖干涉共焦系統(tǒng)，系統(tǒng)采用光纖器件將白光干涉系統(tǒng)和激光共焦系統(tǒng)進(jìn)行了共光路集成，以實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件多參數(shù)同步在線檢測(cè)。其中，使用光延遲線和壓電陶瓷相結(jié)合的光程調(diào)整方法以迅速定位干涉位置并實(shí)現(xiàn)軸向掃描；將CCD相機(jī)和多孔環(huán)帶濾波器插件等器件以空間光路的形式集成于測(cè)量探頭，可實(shí)現(xiàn)白光干涉全場(chǎng)測(cè)量以及激光共焦高分辨率測(cè)量；集成測(cè)量探頭馱載于五維運(yùn)動(dòng)臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量探頭的高自由度位姿調(diào)整。本發(fā)明專利技術(shù)系統(tǒng)具有尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，測(cè)量探頭與系統(tǒng)主體裝置分離且空間距離可靈活調(diào)整，無(wú)需調(diào)整待測(cè)光學(xué)元件位置，對(duì)于大口徑光學(xué)元件加工質(zhì)量的在線檢測(cè)具有很大的優(yōu)勢(shì)。

Optical fiber interference confocal system for on-line inspection of optical component processing quality

The invention discloses a method for fiber optic interferometric confocal optical components processing quality on-line detection system, using optical fiber devices will be white light interference system and laser scanning confocal system for common path integration, to achieve synchronous online multi parameter detection by optical element. Among them, to quickly locate the interference position and realize axial scanning using optical path adjustment method of optical delay line pressure and piezoelectric ceramic combination; CCD camera and porous filter plug-in device with ring optical form integrated measuring probe, can realize white light interferometry and laser confocal measurement of the high resolution measurement; integrated measuring probe to carry five motion platform, can achieve a high degree of freedom measuring probe pose adjustment. The system of the invention has the characteristics of small size, compact structure, strong anti-interference ability, measuring probe and system main device isolation and spatial distance can be flexibly adjusted, no need to adjust the position of the optical element to be measured, has a great advantage for online large aperture optical components processing quality detection.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
用于光學(xué)元件加工質(zhì)量在線檢測(cè)的光纖干涉共焦系統(tǒng)
本專利技術(shù)屬于光學(xué)、電子技術(shù)、精密機(jī)械、顯微攝像等多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域，具體涉及一種用于光學(xué)元件加工質(zhì)量在線檢測(cè)的光纖干涉共焦系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
大口徑光學(xué)元件對(duì)現(xiàn)代信息科學(xué)具有極為重要的意義。隨著加工精度的不斷發(fā)展，大口徑光學(xué)元件的加工精度不斷提高，其形狀精度需要達(dá)到與光波長(zhǎng)相同或者更高量級(jí)，表面粗糙度Ra值小于光波長(zhǎng)的1/10，也就是處于亞微米或納米水平；另一方面，由于大口徑光學(xué)元件的面形參數(shù)往往處于宏觀尺度，這要求測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)量中能夠兼顧大范圍和高精度測(cè)量。大口徑光學(xué)元件的高精度檢測(cè)包括表面面形、粗糙度和亞表面損傷三個(gè)參數(shù)，其中表面粗糙度和亞表面損傷是全面評(píng)價(jià)表面質(zhì)量的兩個(gè)參數(shù)。從目前的測(cè)量方法看，光學(xué)元件的質(zhì)量檢測(cè)仍以光學(xué)方法為主。隨著以白光掃描干涉術(shù)為代表的一系列光學(xué)技術(shù)及裝置的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的商業(yè)化白光干涉儀被應(yīng)用到這類測(cè)量中，一些針對(duì)大范圍測(cè)量的研究更揭示了白光掃描干涉術(shù)應(yīng)用于這一領(lǐng)域的巨大潛力。白光干涉儀包括光源、干涉系統(tǒng)、掃描工作臺(tái)、顯微物鏡和CCD，主要是利用垂直位移臺(tái)完成垂直掃描過(guò)程；壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)掃描工作臺(tái)從而帶動(dòng)待測(cè)物，使其不同高度的表面依次達(dá)到零光程差位置，產(chǎn)生干涉條紋，由CCD記錄整個(gè)掃描過(guò)程中干涉條紋的變化情況，提取待測(cè)物的表面形貌，結(jié)合水平位移臺(tái)，該系統(tǒng)可進(jìn)行較大面積的形貌測(cè)量。另一方面，若要實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件表面質(zhì)量的全面檢測(cè)，還應(yīng)對(duì)其亞表面損傷進(jìn)行無(wú)損評(píng)價(jià)，而亞表面損傷掩蓋在表層以下，復(fù)雜又隱蔽，其檢測(cè)非常困難，現(xiàn)有白光干涉儀還不能對(duì)其進(jìn)行直接測(cè)量；激光共焦層析法采用共軛焦點(diǎn)技術(shù)，使點(diǎn)光源、樣品及點(diǎn)探測(cè)器處于彼此對(duì)應(yīng)的共軛位置，沿光軸移動(dòng)物體就可得到光學(xué)元件深度方向的由亞表面損傷引起的光散射分布圖，結(jié)合光學(xué)散射和微弱信號(hào)處理技術(shù)，該方法是有望實(shí)現(xiàn)亞表面損傷定量檢測(cè)最有潛力的方法之一。然而，大口徑光學(xué)元件的加工質(zhì)量檢測(cè)仍然存在諸多挑戰(zhàn)：1)表面粗糙度和亞表面損傷不是在同一裝置上檢測(cè)，更不能保證對(duì)同一待測(cè)區(qū)域同時(shí)實(shí)現(xiàn)表面粗糙度和亞表面檢測(cè)，從而不能真實(shí)評(píng)價(jià)被測(cè)區(qū)域的加工質(zhì)量；2)對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求極高，更對(duì)被測(cè)件尺寸、及其調(diào)整裝置的精度和穩(wěn)定性有很高的要求，這就限制了檢測(cè)只能在隔振、恒溫恒濕等條件較好的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，大大降低了檢測(cè)效率。因此，研究具有高度靈活性的基于光纖干涉的大型光學(xué)元件質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，能以較少的調(diào)整維度達(dá)到較高的測(cè)量精度，同時(shí)降低對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求，可以推廣至工況條件下使用，是目前亟待解決的工程難題；開展光學(xué)元件質(zhì)量檢測(cè)方法和技術(shù)研究，通過(guò)白光干涉測(cè)量裝置與激光共焦層析裝置相結(jié)合，進(jìn)行大口徑光學(xué)元件表面和亞表面損傷同步檢測(cè)儀器的研究勢(shì)在必行。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種用于光學(xué)元件加工質(zhì)量在線檢測(cè)的光纖干涉共焦系統(tǒng)。為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)采用如下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：用于光學(xué)元件加工質(zhì)量在線檢測(cè)的光纖干涉共焦系統(tǒng)，包括光源切換裝置、白光干涉裝置、激光共焦裝置，計(jì)算機(jī)以及分別與計(jì)算機(jī)連接的CCD相機(jī)和光電探測(cè)器；其中，光源切換裝置包括寬帶光源、激光光源、第一光纖隔離器、第二光纖隔離器和2×1光纖耦合器；白光干涉裝置包括2×2光纖耦合器、第一光纖準(zhǔn)直器、第二光纖準(zhǔn)直器、帶寬分光棱鏡和顯微物鏡；激光共焦裝置包括2×2光纖耦合器、第一光纖準(zhǔn)直器、帶寬分光棱鏡和顯微物鏡；所述白光干涉裝置和激光共焦裝置采用共光路結(jié)構(gòu)，對(duì)同一檢測(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)多參數(shù)同步檢測(cè)；寬帶光源、激光光源、第一光纖隔離器、第二光纖隔離器、2×1光纖耦合器、光電探測(cè)器、2×2光纖耦合器、第一光纖準(zhǔn)直器和第二光纖準(zhǔn)直器之間均采用單模光纖進(jìn)行連接；第一光纖準(zhǔn)直器和第二光纖準(zhǔn)直器相對(duì)設(shè)置于帶寬分光棱鏡兩側(cè)的透射光軸上，管鏡鏡組和顯微物鏡分別設(shè)置于帶寬分光棱鏡兩側(cè)的反射光軸上，CCD相機(jī)位于管鏡鏡組焦點(diǎn)位置，CCD相機(jī)通過(guò)管鏡鏡組采集白光干涉圖像，光電探測(cè)器用于探測(cè)激光共焦信號(hào)，上述器件均以空間光路集成于一個(gè)測(cè)量探頭中。本專利技術(shù)進(jìn)一步的改進(jìn)在于，白光干涉裝置采用Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)，在其參考光路中依次設(shè)置了光纖環(huán)形器、光延遲線、第三光纖準(zhǔn)直器、反射鏡和壓電陶瓷；其中，光延遲線和壓電陶瓷由計(jì)算機(jī)控制，分別用于參考光路光程的粗調(diào)和精調(diào)，以迅速定位干涉位置并實(shí)現(xiàn)軸向掃描。本專利技術(shù)進(jìn)一步的改進(jìn)在于，測(cè)量探頭中還設(shè)置了多孔環(huán)帶濾波器插件，該多孔環(huán)帶濾波器插件設(shè)置于顯微物鏡的前端，用于安裝不同中心遮擋圓的環(huán)形濾波器，實(shí)現(xiàn)激光共焦高分辨率成像；測(cè)量探頭安裝于五維運(yùn)動(dòng)臺(tái)上，用于對(duì)其進(jìn)行三維平移和二維旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)高自由度位姿調(diào)整。本專利技術(shù)進(jìn)一步的改進(jìn)在于，工作時(shí)，打開寬帶光源，關(guān)閉激光光源，多孔環(huán)帶濾波器插件置空，計(jì)算機(jī)控制五維運(yùn)動(dòng)臺(tái)做三維平移和二維旋轉(zhuǎn)，使測(cè)量探頭以設(shè)定的高度垂直入射到待測(cè)光學(xué)元件表面上，通過(guò)觀察CCD相機(jī)成像，使顯微物鏡對(duì)焦到待測(cè)子孔徑區(qū)域；控制光延遲線和壓電陶瓷對(duì)干涉層進(jìn)行軸向移動(dòng)以選擇設(shè)定的表面掃描范圍，控制壓電陶瓷從設(shè)定高度開始向下進(jìn)行表面形貌的掃描測(cè)量，獲取子孔徑區(qū)域表面面形、粗糙度參數(shù)以及亞表面損傷分布與類型；關(guān)閉寬帶光源，在光延遲線中對(duì)參考光路進(jìn)行切斷，打開激光光源，在多孔環(huán)帶濾波器插件上選擇設(shè)定的環(huán)形濾波器，根據(jù)上一步得到的亞表面損傷分布與類型，控制五維運(yùn)動(dòng)臺(tái)依次在損傷位置做軸向?qū)游觯@取子孔徑區(qū)域亞表面損傷深度；控制五維運(yùn)動(dòng)臺(tái)移動(dòng)測(cè)量探頭到下一個(gè)測(cè)量區(qū)域，重復(fù)上述操作，采用子孔徑拼接算法，完成整個(gè)評(píng)估區(qū)域的測(cè)量。本專利技術(shù)具有如下的有益效果：本專利技術(shù)提供的用于光學(xué)元件加工質(zhì)量在線檢測(cè)的光纖干涉共焦系統(tǒng)，將白光干涉裝置和激光共焦裝置進(jìn)行了共光路集成，可對(duì)同一檢測(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)多參數(shù)同步檢測(cè)；另外，光纖器件的引入使實(shí)際干涉共焦系統(tǒng)變得靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、抗干擾能力強(qiáng)，如測(cè)量探頭可與系統(tǒng)主體裝置分離，且空間距離可靈活調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)元件加工質(zhì)量的在線檢測(cè)。進(jìn)一步，白光干涉裝置采用Mach-Zehnder光纖干涉結(jié)構(gòu)，結(jié)合測(cè)量探頭空間光路的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)測(cè)量；光纖環(huán)形器的引入使得白光干涉軸向掃描測(cè)量過(guò)程可在遠(yuǎn)離測(cè)量探頭的地方進(jìn)行，增強(qiáng)測(cè)量探頭的靈活性；采用光延遲線和壓電陶瓷相結(jié)合的光程調(diào)整方法以迅速定位干涉位置并實(shí)現(xiàn)軸向掃描。進(jìn)一步，測(cè)量探頭中，在顯微物鏡前端設(shè)計(jì)配備多孔環(huán)帶濾波器插件，用于安裝不同中心遮擋圓的環(huán)形濾波器，可實(shí)現(xiàn)高分辨率共焦顯微成像；測(cè)量探頭馱載于五維運(yùn)動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行位姿改變，無(wú)需調(diào)整待測(cè)光學(xué)元件位置，采用子孔徑拼接算法，可實(shí)現(xiàn)大口徑光學(xué)元件加工質(zhì)量的在線檢測(cè)。進(jìn)一步，光纖白光干涉和激光共焦系統(tǒng)的共光路設(shè)計(jì)可保證光學(xué)元件表面面形、表面粗糙度和亞表面損傷的檢測(cè)處于同一區(qū)域，經(jīng)過(guò)一個(gè)檢測(cè)過(guò)程即可完成以上三個(gè)參數(shù)的測(cè)量，因此可真實(shí)有效地反映待測(cè)元件加工質(zhì)量。附圖說(shuō)明圖1為光纖干涉共焦集成測(cè)量系統(tǒng)示意圖。圖中：1-寬帶光源，2-激光光源，3-第一光纖隔離器，4-第二光纖隔離器，5-2×1光纖耦合器，6-2×2光纖耦合器，7-第一光纖準(zhǔn)直器，8-第二光纖準(zhǔn)直器，9-帶寬分光棱鏡，10-計(jì)算機(jī)，11-顯微物鏡，12-管鏡鏡組，13-CCD相機(jī)，14-光電探測(cè)器，15-多孔環(huán)帶濾波器插件，16-五維運(yùn)動(dòng)臺(tái)，17-光纖環(huán)形器，18-光延遲線，19-第三光纖準(zhǔn)直本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
用于光學(xué)元件加工質(zhì)量在線檢測(cè)的光纖干涉共焦系統(tǒng)，其特征在于，包括光源切換裝置、白光干涉裝置、激光共焦裝置，計(jì)算機(jī)(10)以及分別與計(jì)算機(jī)連接的CCD相機(jī)(13)和光電探測(cè)器(14)；其中，光源切換裝置包括寬帶光源(1)、激光光源(2)、第一光纖隔離器(3)、第二光纖隔離器(4)和2×1光纖耦合器(5)；白光干涉裝置包括2×2光纖耦合器(6)、第一光纖準(zhǔn)直器(7)、第二光纖準(zhǔn)直器(8)、帶寬分光棱鏡(9)和顯微物鏡(11)；激光共焦裝置包括2×2光纖耦合器(6)、第一光纖準(zhǔn)直器(7)、帶寬分光棱鏡(9)和顯微物鏡(11)；所述白光干涉裝置和激光共焦裝置采用共光路結(jié)構(gòu)，對(duì)同一檢測(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)多參數(shù)同步檢測(cè)；寬帶光源(1)、激光光源(2)、第一光纖隔離器(3)、第二光纖隔離器(4)、2×1光纖耦合器(5)、光電探測(cè)器(14)、2×2光纖耦合器(6)、第一光纖準(zhǔn)直器(7)和第二光纖準(zhǔn)直器(8)之間均采用單模光纖進(jìn)行連接；第一光纖準(zhǔn)直器(7)和第二光纖準(zhǔn)直器(8)相對(duì)設(shè)置于帶寬分光棱鏡(9)兩側(cè)的透射光軸上，管鏡鏡組(12)和顯微物鏡(11)分別設(shè)置于帶寬分光棱鏡(9)兩側(cè)的反射光軸上，CCD相機(jī)(13)位于管鏡鏡組(12)焦點(diǎn)位置，CCD相機(jī)(13)通過(guò)管鏡鏡組(12)采集白光干涉圖像，光電探測(cè)器(14)用于探測(cè)激光共焦信號(hào)，上述器件均以空間光路集成于一個(gè)測(cè)量探頭中。...

【技術(shù)特征摘要】
1.用于光學(xué)元件加工質(zhì)量在線檢測(cè)的光纖干涉共焦系統(tǒng)，其特征在于，包括光源切換裝置、白光干涉裝置、激光共焦裝置，計(jì)算機(jī)(10)以及分別與計(jì)算機(jī)連接的CCD相機(jī)(13)和光電探測(cè)器(14)；其中，光源切換裝置包括寬帶光源(1)、激光光源(2)、第一光纖隔離器(3)、第二光纖隔離器(4)和2×1光纖耦合器(5)；白光干涉裝置包括2×2光纖耦合器(6)、第一光纖準(zhǔn)直器(7)、第二光纖準(zhǔn)直器(8)、帶寬分光棱鏡(9)和顯微物鏡(11)；激光共焦裝置包括2×2光纖耦合器(6)、第一光纖準(zhǔn)直器(7)、帶寬分光棱鏡(9)和顯微物鏡(11)；所述白光干涉裝置和激光共焦裝置采用共光路結(jié)構(gòu)，對(duì)同一檢測(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)多參數(shù)同步檢測(cè)；寬帶光源(1)、激光光源(2)、第一光纖隔離器(3)、第二光纖隔離器(4)、2×1光纖耦合器(5)、光電探測(cè)器(14)、2×2光纖耦合器(6)、第一光纖準(zhǔn)直器(7)和第二光纖準(zhǔn)直器(8)之間均采用單模光纖進(jìn)行連接；第一光纖準(zhǔn)直器(7)和第二光纖準(zhǔn)直器(8)相對(duì)設(shè)置于帶寬分光棱鏡(9)兩側(cè)的透射光軸上，管鏡鏡組(12)和顯微物鏡(11)分別設(shè)置于帶寬分光棱鏡(9)兩側(cè)的反射光軸上，CCD相機(jī)(13)位于管鏡鏡組(12)焦點(diǎn)位置，CCD相機(jī)(13)通過(guò)管鏡鏡組(12)采集白光干涉圖像，光電探測(cè)器(14)用于探測(cè)激光共焦信號(hào)，上述器件均以空間光路集成于一個(gè)測(cè)量探頭中。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光學(xué)元件加工質(zhì)量在線檢測(cè)的光纖干涉共焦系統(tǒng)，其特征在于，白光干涉裝置采用Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)，在其參考光路中依次設(shè)置了光纖環(huán)形器(17)、光延遲線(18)、第三光纖準(zhǔn)直器(19)、反射鏡(20)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊樹明，張國(guó)鋒，薛興昌，楊新宇，楊林林，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西安交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：陜西,61