[发明专利]用于光学元件加工质量在线检测的光纤干涉共焦系统

说明书

本发明公开了一种用于光学元件加工质量在线检测的光纤干涉共焦系统，系统采用光纤器件将白光干涉系统和激光共焦系统进行了共光路集成，以实现光学元件多参数同步在线检测。其中，使用光延迟线和压电陶瓷相结合的光程调整方法以迅速定位干涉位置并实现轴向扫描；将CCD相机和多孔环带滤波器插件等器件以空间光路的形式集成于测量探头，可实现白光干涉全场测量以及激光共焦高分辨率测量；集成测量探头驮载于五维运动台上，可实现测量探头的高自由度位姿调整。本发明系统具有尺寸小、结构紧凑、抗干扰能力强等特点，测量探头与系统主体装置分离且空间距离可灵活调整，无需调整待测光学元件位置，对于大口径光学元件加工质量的在线检测具有很大的优势。

技术领域

本发明属于光学、电子技术、精密机械、显微摄像等多学科交叉的前沿研究领域，具体涉及一种用于光学元件加工质量在线检测的光纤干涉共焦系统。

背景技术

大口径光学元件对现代信息科学具有极为重要的意义。随着加工精度的不断发展，大口径光学元件的加工精度不断提高，其形状精度需要达到与光波长相同或者更高量级，表面粗糙度Ra值小于光波长的1/10，也就是处于亚微米或纳米水平；另一方面，由于大口径光学元件的面形参数往往处于宏观尺度，这要求测试系统在测量中能够兼顾大范围和高精度测量。大口径光学元件的高精度检测包括表面面形、粗糙度和亚表面损伤三个参数，其中表面粗糙度和亚表面损伤是全面评价表面质量的两个参数。

从目前的测量方法看，光学元件的质量检测仍以光学方法为主。随着以白光扫描干涉术为代表的一系列光学技术及装置的迅速发展，越来越多的商业化白光干涉仪被应用到这类测量中，一些针对大范围测量的研究更揭示了白光扫描干涉术应用于这一领域的巨大潜力。白光干涉仪包括光源、干涉系统、扫描工作台、显微物镜和CCD，主要是利用垂直位移台完成垂直扫描过程；压电陶瓷驱动扫描工作台从而带动待测物，使其不同高度的表面依次达到零光程差位置，产生干涉条纹，由CCD记录整个扫描过程中干涉条纹的变化情况，提取待测物的表面形貌，结合水平位移台，该系统可进行较大面积的形貌测量。另一方面，若要实现光学元件表面质量的全面检测，还应对其亚表面损伤进行无损评价，而亚表面损伤掩盖在表层以下，复杂又隐蔽，其检测非常困难，现有白光干涉仪还不能对其进行直接测量；激光共焦层析法采用共轭焦点技术，使点光源、样品及点探测器处于彼此对应的共轭位置，沿光轴移动物体就可得到光学元件深度方向的由亚表面损伤引起的光散射分布图，结合光学散射和微弱信号处理技术，该方法是有望实现亚表面损伤定量检测最有潜力的方法之一。然而，大口径光学元件的加工质量检测仍然存在诸多挑战：1)表面粗糙度和亚表面损伤不是在同一装置上检测，更不能保证对同一待测区域同时实现表面粗糙度和亚表面检测，从而不能真实评价被测区域的加工质量；2)对检测环境要求极高，更对被测件尺寸、及其调整装置的精度和稳定性有很高的要求，这就限制了检测只能在隔振、恒温恒湿等条件较好的实验室中进行，大大降低了检测效率。

因此，研究具有高度灵活性的基于光纤干涉的大型光学元件质量检测系统，能以较少的调整维度达到较高的测量精度，同时降低对测量环境的要求，可以推广至工况条件下使用，是目前亟待解决的工程难题；开展光学元件质量检测方法和技术研究，通过白光干涉测量装置与激光共焦层析装置相结合，进行大口径光学元件表面和亚表面损伤同步检测仪器的研究势在必行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于光学元件加工质量在线检测的光纤干涉共焦系统。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

用于光学元件加工质量在线检测的光纤干涉共焦系统，包括光源切换装置、白光干涉装置、激光共焦装置，计算机以及分别与计算机连接的CCD相机和光电探测器；其中，

光源切换装置包括宽带光源、激光光源、第一光纤隔离器、第二光纤隔离器和2×1光纤耦合器；

白光干涉装置包括2×2光纤耦合器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、带宽分光棱镜和显微物镜；