[发明专利]透镜组镜面间距的测量装置和测量方法

权利要求书

1.一种透镜组镜面间距的测量装置，其特征在于：包括低相干光源(1)、激光测长光源(2)、红光指示光源(3)、第一波分复用器(4)、第二波分复用器(5)、第三波分复用器(6)、光纤耦合器(7)、第一MEMS光开关(8)、第二MEMS光开关(9)、延迟扫描臂(10)、四维调整架(11)、可调焦准直器(12)、待测透镜组(13)、安装架(14)、光纤后向反射镜(15)、第一光电探测器(16)、第二光电探测器(17)、数据采集系统(19)和数据处理单元(20)，所述的延迟扫描臂(10)包括光纤准直器(1001)、电机驱动移动平台(1002)和可移动扫描反射镜(1003)，所述的可移动扫描反射镜(1003)置于所述的电机驱动移动平台(1002)上；

所述的低相干光源(1)和激光测长光源(2)的输出端分别通过光纤(18)与所述的第一波分复用器(4)的第一端口和第二端口相连，所述的第一波分复用器(4)的第三端口通过光纤(18)与所述的光纤耦合器(7)的第一端口相连接；所述的第二波分复用器(5)的第三端口通过光纤(18)和所述的光纤耦合器(7)的第二端口相连，所述的第一MEMS光开关(8)具有1个输入端和N个输出端，所述的第二MEMS光开关(9)具有N个输入端和1个输出端，所述的第一MEMS光开关(8)的N个输出端分别与所述的第二MEMS光开关(9)对应的N个输入端通过不同长度的延迟光纤相连接，形成不同长度的测量通道的开关组，所述的第一MEMS光开关(8)的输入端通过光纤(18)与光纤耦合器(7)的第三端口相连接，所述的第二MEMS光开关(9)的输出端与所述的延迟扫描臂(10)中的光纤准直器(1001)相连接；所述的光纤耦合器(7)的第四端口通过光纤(18)与所述的第三波分复用器(6)的第一端口相连，所述的第三波分复用器(6)的第二端口通过光纤(18)与所述的光纤后向反射镜(15)的输入端口相连，所述的第三波分复用器(6)的第一端口通过光纤(18)与所述的光纤耦合器(7)的第四端口相连接，所述的第三波分复用器(6)的第三端口具有连接光纤(18)，所述的红光指示光源(3)的输出端具有连接光纤(18)，所述的可调焦准直器(12)安装在四维调整架(11)上，所述的待测透镜组(13)固定在所述的安装架(14)上；所述的第一光电探测器(16)和所述的第二光电探测器(17)的输入端分别通过光纤(18)与所述的第二波分复用器(5)的第一端口和第二端口相连，所述的第一光电探测器(16)和第二光电探测器(17)的输出端经所述的数据采集系统(19)与所述的数据处理单元(20)相连。

2.根据权利要求1所述的透镜组镜面间距的测量装置，其特征在于所述的低相干光源(1)为超辐射发光二极管，中心波长1310nm。

3.根据权利要求1所述的透镜组镜面间距的测量装置，其特征在于所述的激光测长光源(2)为分布式反馈激光器，中心波长1550nm。

4.根据权利要求1所述的透镜组镜面间距的测量装置，其特征在于所述的红光指示光源(3)为激光二极管，中心波长655nm。

5.根据权利要求1所述的透镜组镜面间距的测量装置，其特征在于所述的第一波分复用器(4)、第二波分复用器(5)和第三波分复用器(6)为能够同时在1310nm和1550nm波长下工作的波分复用器。

6.根据权利要求1所述的透镜组镜面间距的测量装置，其特征在于所述的光纤耦合器(7)是能够同时在1310nm和1550nm波长下工作，分束比为50:50的光纤耦合器。

7.根据权利要求1所述的透镜组镜面间距的测量装置，其特征在于所述的第一MEMS光开关(8)和第二MEMS光开关(9)为能够同时在1310nm和1550nm波长下工作的微机电光开关。

8.根据权利要求1所述的透镜组镜面间距的测量装置，其特征在于所述的第一光电探测器(16)和第二光电探测器(17)的光谱响应范围为900～1700nm，分别接收波长1310nm的低相干测量光束及波长1550nm的激光测长光束所产生的干涉信号。

9.利用权利要求1所述的透镜组镜面间距的测量装置对待测透镜组的镜面光学间距的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①将待测透镜组(13)固定在安装架(14)上，将待测透镜组(13)处于所述的可调焦准直器(12)后600mm～900mm之间的某个位置，将红光指示光源(3)的输出光纤连接到所述的可调焦准直器(12)的前焦点，打开红光指示光源(3)，通过所述的四维调整架(11)调节所述的可调焦准直器(12)，使所述的红光指示光源(3)输出的光束汇聚到待测透镜组(13)内部，并调节可调焦准直器(12)的光轴指向，使待测透镜组(13)的各表面反射回来的光点重合，则待测透镜组(13)的光轴与可调焦准直器(12)出射光的光轴重合，然后关闭所述的红光指示光源(3)，将所述的红光指示光源(3)的输出光纤从所述的可调焦准直器(12)的输入端移开；

②将所述的第三波分复用器(6)的第三端口的输出光纤连接到所述的可调焦准直器(12)的输入端，打开所述的低相干光源(1)和激光测长光源(2)，通过数据采集系统(19)的显示波形，调节所述的可调焦准直器(12)，使从所述的第三波分复用器(6)的第三端口输出的低相干测量光束汇聚到待测透镜组(13)内部，使待测透镜组(13)中各表面反射光的耦合强度达到最强；

③打开所述的第一MEMS光开关(8)和第二MEMS光开关(9)所构成的光开关组的第一通道，控制所述的延迟扫描臂(10)中的电机驱动移动平台(1002)，使电机驱动移动平台(1002)带动所述的可移动扫描反射镜(1003)移动进行扫描，然后打开光开关组的第二通道，使电机驱动移动平台(1002)带动可移动扫描反射镜(1003)移动进行再次扫描，重复上述过程直至光开关组的第N个通道扫描完成，通过数据采集系统(19)同步采集每次扫描过程中第一光电探测器(16)和第二光电探测器(17)输出的电信号，输入到数据处理单元(20)；

④所述的数据处理单元(20)利用标定算法确定光开关组不同通道测量范围，利用计算程序定位低相干测量信号中待测透镜组(13)各个表面对应的干涉峰值位置，并确定干涉峰值采样点的位置，将该采样点位置对应到激光测长干涉信号相同采样点位置，通过七步相移算法计算出激光测长干涉信号在该采样点的相位值φ_i，I_i-3～I_i+3是以第i个干涉峰值采样点位置为中心连续7个激光测长采样点的强度值，其计算公式为：

φ=arctan(4(2Ii-Ii-2-Ii+2)Ii-3-7Ii-1+7Ii+1-Ii+3)]]>

通过相位解包裹算法对计算出的相位值进行展开,则待测透镜组(13)的每个间隙的物理厚度为：

Dmea=ng,air(λ1)ng(λ1)·nair(λ2)·(φi+1-φi)·λ24π]]>

式中，λ₁为低相干光波长，λ₂为测距激光波长，n_g,air(λ₁)为空气在光波长λ₁下的群折射率，n_g(λ₁)为所测透镜组中透镜材料在光波长λ₁下的群折射率，n_air(λ₂)为空气在光波长λ₂下的折射率，φ_i+1和φ_i分别为低相干光干涉信号相邻峰值位置对应的激光测长信号采样点解包裹后的相位值。