CN103267478B - 高精度位置检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高精度位置检测装置及方法，属于光学检测领域。该装置包括：短相干光源、准直透镜、起偏器、1/2波片、分光器、全反射镜、耦合透镜、末端反射式光纤分束器、聚焦透镜、检偏器、传感器、两个1/4波片和变焦透镜，各部件形成参考光路和测量光路。参考光路中不同分支的光程差是固定的并且不相同，假设测试范围为L，参考光路包括n支，为了测试L长度的光学表面间距，可动镜片只需要移动L/n的距离，通过分析可动镜片位置以及干涉条纹的中心位置，就可以准确知道被测系统L范围中包括不同光学表面的位置。该检查装置具有检测范围大且可动镜片移动范围小，结构简单，测量精度高的优点。

Description

高精度位置检测装置及方法

技术领域

本发明涉及光学检测领域，特别是涉及一种利用光进行检测的高精度位置检测装置及方法。

背景技术

在复杂高精度的光学系统中，需要对装配后的光学镜片之间的间隔进行测试，由于已经装配好，无法使用机械的办法进行测试，只能采取非接触的方式进行检查，一种较适合该应用的是采用短相干光源方法进行，参见SPIE文献“Contact-free on-axismetrology for the fabrication and testing of complex optical systems”，该文献中给出的方法使用迈克尔逊的干涉仪结构原理，通过移动参考臂中的可动镜片位置和被测光学表面匹配的方法，测试光学系统中不同光学表面的位置。

图1示意了这种检测设备的原理结构，短相干光源1发出的短相干波长的光经过耦合器3(类似于分光器)后，一路通过可变焦镜头5进入被测光学系统4，另一路通过准直镜6进入可移动的反射镜7，两路光反射后经过耦合器3，进入传感器2，当两路光的光程差相同时，形成干涉条纹，否则只是光强的简单叠加，通过测试干涉条纹的轮廓和反射镜的位置，就可以准确知道光学系统中不同光学表面的间距。

在这种检测设备中，可动镜片的移动范围和光学系统的最大工作间隔一致，所以当光学系统的间隔较大时，可动镜片的移动和检测范围也需要跟着扩大，而要在大范围内实现高精度检测是非常困难的，同时大范围移动增加了设备的尺寸，减低了设备的可靠性，使得整个设备的成本急剧增加。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高精度位置检测装置及方法，其结构紧凑，能在较短的移动范围内实现较长光学距离的高精度检测，解决目前在大范围内、移动镜片检测设备精度较低且尺寸较大的问题。

解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供一种高精度位置检测装置，包括：

短相干光源、准直透镜、起偏器、1/2波片、分光器、全反射镜、耦合透镜、末端反射式光纤分束器、聚焦透镜、检偏器、传感器、两个1/4波片和变焦透镜；

其中，所述短相干光源、准直透镜、起偏器、1/2波片、分光器、第一1/4波片和全反射镜的入射端、全反射镜的出射端、耦合透镜和末端反射式光纤分束器排列成第一光路；

所述聚焦透镜、第二1/4波片、所述分光器、检偏器、变焦透镜和传感器排列成第二光路；

所述第二光路与第一光路经所述分光器交汇，所述第二光路与第一光路中的短相干光源、准直透镜、起偏器、1/2波片、分光器、第一1/4波片和全反射镜的入射端所在的光路垂直；

所述全反射镜能在所述第一光路中移动位置。

本发明还提供一种高精度位置检测方法，采用本发明的检测装置，包括以下步骤：

将被测光学系统的光学表面的球心设置在所述检测装置的聚焦透镜的焦点处；

所述检测装置在其短相干光源发出光后，经其分光器形成的参考光路和测量光路形成干涉，其传感器接收测量光与参考光进行干涉形成的干涉条纹；

通过移动全反射镜的位置以及所述干涉条纹的中心位置，确定所述被测光学系统中不同光学表面的位置。

本发明的有益效果：通过短相干光源、准直透镜、起偏器、1/2波片、分光器、全反射镜、耦合透镜、末端反射式光纤分束器、聚焦透镜、检偏器、传感器、两个1/4波片和变焦透镜配合可形成具有参考光路和测量光路的检测装置。该装置的可动的全反射镜只需要移动L/n的距离，即可测量L长度的光学表面间距，通过分析全反射镜的位置以及干涉条纹的中心位置，就可以准确知道被测系统在L长度范围中包括不同光学表面的位置，具有检测范围大且可动的全反射镜移动范围小，结构简单，测量精度高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为现有商用短相干测试系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的检测装置结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明实施例提供一种高精度位置测量装置，是一种结构紧凑，在较短的移动范围内可实现较长光学距离的高精度检测，解决目前检测设备要在大范围内，移动镜片测试精度和设备尺寸较大的问题，如图1所示，该检测装置包括：短相干光源301、准直透镜302、起偏器303、1/2波片304、分光器305、全反射镜502、耦合透镜503、末端反射式光纤分束器504、聚焦透镜402、检偏器601、传感器603、两个1/4波片501、502和变焦透镜602；

其中，所述短相干光源301、准直透镜302、起偏器303、1/2波片304、分光器305、第一1/4波片501和全反射镜502的入射端502、全反射镜502的出射端、耦合透镜503和末端反射式光纤分束器504排列成第一光路；

所述聚焦透镜402、第二1/4波片401、所述分光器305、检偏器601、变焦透镜602和传感器603排列成第二光路；

所述第二光路与第一光路经所述分光器305交汇，所述第二光路与第一光路中的短相干光源301、准直透镜302、起偏器303、1/2波片304、分光器305、第一1/4波片501和全反射镜502的入射端所在的光路垂直；

所述全反射镜502能在所述第一光路中移动位置。

上述装置中，由所述短相干光源301、准直透镜302、起偏器303、1/2波片304、分光器、第一1/4波片51、全反射镜502的入射端、全反射镜502的出射端、耦合透镜503、末端反射式光纤分束器504、所述末端反射式光纤分束器504、所述耦合透镜503、所述全反射镜502的出射端、所述全反射镜502的入射端、所述第一1/4波片501、检偏器601、变焦透镜602和传感器603构成参考光路。

上述参考光路中，从所述短相干光源301、准直透镜302、起偏器303、1/2波片304、分光器305、第一1/4波片501、全反射镜502的入射端、全反射镜502的出射端、耦合透镜503至末端反射式光纤分束器504构成进程参考光路；

从末端反射式光纤分束器504至所述耦合透镜503、所述全反射镜502的出射端、所述全反射镜502的入射端、所述第一1/4波片501、检偏器601、变焦透镜602和传感器603构成回程参考光路。

由所述短相干光源301、准直透镜302、起偏器303、1/2波片304、分光器305、第二1/4波片401、聚焦透镜402、所述聚焦透镜402、所述第二1/4波片401、所述分光器305、检偏器601、变焦透镜602和传感器603构成测量光路。

上述测量光路中，从所述短相干光源301、准直透镜302、起偏器303、1/2波片304、分光器305、第二1/4波片401、聚焦透镜402再到被测光学系统403构成进程测量光路；

从被测光学系统403至所述聚焦透镜402、所述第二1/4波片401、所述分光器305、检偏器601、变焦透镜602和传感器603构成回程测量光路。

上述检测装置中，末端反射式光纤分束器504为：具有一个入射端，n路分支出射端，且各出射端末端均设有反射膜的光纤分束器，该光纤分束器能分出存在不同的光程差的n路光。

上述检测装置工作时，短相干光源301发出的光经过准直透镜302后，变为平行光后经过起偏器303和1/2波片304后，呈一定的偏振方向入射到分光器305上，经过分光器305后一束光透射，经过第一1/4波片501后，进入一个可移动的全反射镜502，从全反射镜502出射的光经过一个耦合透镜503将光耦合到一个末端反射式光纤分束器504中，末端反射式光纤分束器504是一个1×n的分束器，将一路光分为n路光，n路光之间存在不同的光程差，每个光纤分支的末端都镀反射膜，经过反射的光再次从原路返回，反射光经过第一1/4波片501后，偏振方向变化90度，在分光器305上反射后经检偏器601和变焦透镜602进入传感器603中，这一路光称之为参考光，可以看出，参考光中包含不同光程差的光，可移动的全反射镜固定在可动的机构上，所以参考光的不同光束的光程差是可以调节的；

另一路测量光，经过分光器305的反射光，经过第二1/4波片401后，通过可变的聚焦透镜402，聚焦到被测光学系统中，经过被测光学系统403中不同光学器件表面反射后，经过聚焦透镜402再次变为平行光，通过第二1/4波片401后进入分光器305，由于两次通过第二1/4波片401，偏振方向发生90度旋转，通过分光器305透射后经检偏器601和变焦透镜602进入传感器603中；两束光进入传感器603之前都要通过检偏器601，这样两束光能以相同的偏振方向入射到传感器603。测量光路中设置被测光学系统403，被测光学系统403包含不同的光学器件的表面，这样测量光中也包含不同光程差的光。

如果测量光和参考光中有某两路光的到传感器的光程差相近时，会在一定的范围内形成干涉，当参考光中的全反射镜移动时，干涉条纹会发生变化，由于采用的是短相干光源，所以该干涉条纹只是在一定的扫描范围内形成。

参考光中不同分支的光程差是固定的并且不相同，假设测量的长度范围为L，参考光路包括n支，为了测试L长度的光学表面间距，可动的全反射镜只需要移动L/n的距离，通过分析全反射镜的位置以及干涉条纹的中心位置，就可以准确知道被测光学系统L长度范围中包括不同光学表面的位置。

上述检测装置中的短相干光源可采用相干长度为1310nm的短相干LED光源。

上述检测装置中的第一光路中的起偏器的角度可以调整。进一步的，上述装置中也可以采用光纤耦合器或光纤迈克尔逊干涉仪进行分光。

上述检测装置中的全反射镜为移动式直角全反射镜。

上述检测装置中的分光器采用偏振分光器；进一步的，上述装置中也可以采用非偏振的方法进行分光；通过调节全反射镜的反射光强实现匹配干涉。

上述检测装置中的聚焦透镜的焦点处为放置被测光学系统处。

进一步的，上述装置还可以设置光纤，在光纤前加上聚焦透镜，聚焦透镜的聚焦光也可以耦合进一根光纤，通过光纤引到其它装置不方便到达的地方，通过设置聚焦透镜的光纤前端检测被测光学系统的光学器件的表面。

本发明实施例还提供一种高精度位置检测方法，采用上述的检测装置，包括以下步骤：

将被测光学系统的光学表面的球心设置在所述检测装置的聚焦透镜的焦点处；

所述检测装置在其短相干光源发出光后，经其分光器形成的参考光路和测量光路形成干涉，其传感器接收测量光与参考光进行干涉形成的干涉条纹；

通过移动全反射镜的位置以及所述干涉条纹的中心位置，确定所述被测光学系统中不同光学表面的位置。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图2的本发明检测装置结构图所示，短相干光源301经过准直透镜302后，变为平行光后经过起偏器303和1/2波片304后，呈一定的偏振方向入射到偏振分光器305上，经过分光器后一束光透射，经过第一1/4波片501后，进入一个可移动的全反射镜502，从全反射镜502出射的光经过一个耦合透镜503将光耦合到一个末端反射式光纤分束器504中，末端反射式光纤分束器504是一个1×n的分束器，将一路光分为n路光，n路光之间存在不同的光程差，每个光纤分支的末端都镀反射膜，经过反射的光再次从原路返回，反射光经过第一1/4波片501后，偏振方向变化90度，在分光器305上反射后经检偏器601和变焦透镜602进入传感器603中，这一路光称之为参考光。

另一路测量光，经过分光器305的反射光，经过第二1/4波片401后，通过聚焦透镜402，聚焦到被测光学系统403中，经过被测光学系统403中不同光学器件表面反射后，经过聚焦透镜402再次变为平行光，通过第二1/4波片401后进入分光器305，由于两次通过第二1/4波片401，偏振方向发生90度旋转，通过分光器305透射后经检偏器601和变焦透镜602进入传感器603中；两束光进入传感器603之前都要通过检偏器601，这样两束光能以相同的偏振方向入射到传感器603。测量光路中包含光学系统，光学系统包含不同的表面，所以测量光中也包含不同光程差的光。

如果测量光和参考光中有某两路光到传感器系统的光程差相近时，会在一定的范围内形成干涉，当参考光中的反射镜移动时，干涉条纹会发生变化，由于采用的是短相干光源，所以该干涉条纹只是在一定的扫描范围内形成。

参考光路中不同分支的光程差是固定的并且不相同，假设测试范围为400mm，参考光路包括40路，相邻两路光纤间隔为10mm，每一路的长度为10的整数倍加上某一个特定非常小的值，如第一路的特征值a1为1um，第二路a2为3um，第三路为a3为5um，一直到40路a40，每路的特征值都不一致，为了测试L长度范围内的任意光学表面间距，可动的全反射镜只需要移动2倍相邻两路光纤的间隔20mm的距离，这样在整个400mm范围内的光学表面都会出现2次干涉峰值，通过比较两次干涉峰值的位置偏差，和每一路的特征值进行比较，就能很容易得到该光学表面是和哪一路光路分支发生相干得到的，从而通过分析可动的全反射镜位置以及干涉条纹的中心位置，就可以准确知道被测系统L范围中包括不同光学表面的位置。不同分支光路光程差的对应关系为：1路对应L/n+a1，2路对应2×L/n+a2，3路对应3×L/n+a3，依此类推，直到n路对应的是L+an。其中n表示参考光路的各分支光路的数量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种高精度位置检测装置，其特征在于，包括：

短相干光源、准直透镜、起偏器、1/2波片、分光器、全反射镜、耦合透镜、末端反射式光纤分束器、聚焦透镜、检偏器、传感器、两个1/4波片和变焦透镜；

其中，所述短相干光源、准直透镜、起偏器、1/2波片、分光器、第一1/4波片和全反射镜的入射端、全反射镜的出射端、耦合透镜和末端反射式光纤分束器排列成第一光路；所述末端反射式光纤分束器为：具有一个入射端，n路分支出射端，且各出射端末端均设有反射膜的能分出存在不同的光程差的n路光的光纤分束器；

所述聚焦透镜、第二1/4波片、所述分光器、检偏器、变焦透镜和传感器排列成第二光路；

所述第二光路与第一光路经所述分光器交汇，所述第二光路与第一光路中的短相干光源、准直透镜、起偏器、1/2波片、分光器、第一1/4波片和全反射镜的入射端所在的光路垂直；

所述全反射镜能在所述第一光路中移动位置；

所述第一光路中的起偏器的角度能调整。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置中，由所述短相干光源、准直透镜、起偏器、1/2波片、分光器、第一1/4波片、全反射镜的入射端、全反射镜的出射端、耦合透镜、末端反射式光纤分束器、所述末端反射式光纤分束器、所述耦合透镜、所述全反射镜的出射端、所述全反射镜的入射端、所述第一1/4波片、检偏器、变焦透镜和传感器构成参考光路；

由所述短相干光源、准直透镜、起偏器、1/2波片、分光器、第二1/4波片、聚焦透镜、所述聚焦透镜、所述第二1/4波片、所述分光器、检偏器、变焦透镜和传感器构成测量光路。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述短相干光源采用相干长度为1310nm的短相干LED光源。

4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述全反射镜为直角全反射镜，其位置能移动。

5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，

所述全反射镜为移动式直角全反射镜；

所述分光器采用偏振分光器；

所述聚焦透镜的焦点处为放置被测光学系统处。

6.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括：光纤，该光纤的输入端与所述聚焦透镜连接，输出端与所述第二1/4波片对应。

7.一种高精度位置检测方法，其特征在于，采用权利要求1～6任一项所述的检测装置，包括以下步骤：

将被测光学系统的光学表面的球心设置在所述检测装置的聚焦透镜的焦点处；

所述检测装置在其短相干光源发出光后，经其分光器形成的参考光路和测量光路形成干涉，其传感器接收测量光与参考光进行干涉形成的干涉条纹；

通过移动全反射镜的位置以及所述干涉条纹的中心位置，确定所述被测光学系统中不同光学表面的位置。