本發(fā)明屬于光學、電子技術、精密機械、顯微攝像等多學科交叉的前沿研究領域，具體涉及一種用于光學元件加工質(zhì)量在線檢測的光纖干涉共焦系統(tǒng)。
背景技術：
大口徑光學元件對現(xiàn)代信息科學具有極為重要的意義。隨著加工精度的不斷發(fā)展，大口徑光學元件的加工精度不斷提高，其形狀精度需要達到與光波長相同或者更高量級，表面粗糙度ra值小于光波長的1/10，也就是處于亞微米或納米水平；另一方面，由于大口徑光學元件的面形參數(shù)往往處于宏觀尺度，這要求測試系統(tǒng)在測量中能夠兼顧大范圍和高精度測量。大口徑光學元件的高精度檢測包括表面面形、粗糙度和亞表面損傷三個參數(shù)，其中表面粗糙度和亞表面損傷是全面評價表面質(zhì)量的兩個參數(shù)。
從目前的測量方法看，光學元件的質(zhì)量檢測仍以光學方法為主。隨著以白光掃描干涉術為代表的一系列光學技術及裝置的迅速發(fā)展，越來越多的商業(yè)化白光干涉儀被應用到這類測量中，一些針對大范圍測量的研究更揭示了白光掃描干涉術應用于這一領域的巨大潛力。白光干涉儀包括光源、干涉系統(tǒng)、掃描工作臺、顯微物鏡和ccd，主要是利用垂直位移臺完成垂直掃描過程；壓電陶瓷驅動掃描工作臺從而帶動待測物，使其不同高度的表面依次達到零光程差位置，產(chǎn)生干涉條紋，由ccd記錄整個掃描過程中干涉條紋的變化情況，提取待測物的表面形貌，結合水平位移臺，該系統(tǒng)可進行較大面積的形貌測量。另一方面，若要實現(xiàn)光學元件表面質(zhì)量的全面檢測，還應對其亞表面損傷進行無損評價，而亞表面損傷掩蓋在表層以下，復雜又隱蔽，其檢測非常困難，現(xiàn)有白光干涉儀還不能對其進行直接測量；激光共焦層析法采用共軛焦點技術，使點光源、樣品及點探測器處于彼此對應的共軛位置，沿光軸移動物體就可得到光學元件深度方向的由亞表面損傷引起的光散射分布圖，結合光學散射和微弱信號處理技術，該方法是有望實現(xiàn)亞表面損傷定量檢測最有潛力的方法之一。然而，大口徑光學元件的加工質(zhì)量檢測仍然存在諸多挑戰(zhàn)：1)表面粗糙度和亞表面損傷不是在同一裝置上檢測，更不能保證對同一待測區(qū)域同時實現(xiàn)表面粗糙度和亞表面檢測，從而不能真實評價被測區(qū)域的加工質(zhì)量；2)對檢測環(huán)境要求極高，更對被測件尺寸、及其調(diào)整裝置的精度和穩(wěn)定性有很高的要求，這就限制了檢測只能在隔振、恒溫恒濕等條件較好的實驗室中進行，大大降低了檢測效率。
因此，研究具有高度靈活性的基于光纖干涉的大型光學元件質(zhì)量檢測系統(tǒng)，能以較少的調(diào)整維度達到較高的測量精度，同時降低對測量環(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；開展光學元件質(zhì)量檢測方法和技術研究，通過白光干涉測量裝置與激光共焦層析裝置相結合，進行大口徑光學元件表面和亞表面損傷同步檢測儀器的研究勢在必行。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種用于光學元件加工質(zhì)量在線檢測的光纖干涉共焦系統(tǒng)。
為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案來實現(xiàn)的：
用于光學元件加工質(zhì)量在線檢測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，計算機以及分別與計算機連接的ccd相機和光電探測器；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、第一光纖準直器、第二光纖準直器、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構，對同一檢測區(qū)域實現(xiàn)多參數(shù)同步檢測；
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、光電探測器、2×2光纖耦合器、第一光纖準直器和第二光纖準直器之間均采用單模光纖進行連接；第一光纖準直器和第二光纖準直器相對設置于帶寬分光棱鏡兩側的透射光軸上，管鏡鏡組和顯微物鏡分別設置于帶寬分光棱鏡兩側的反射光軸上，ccd相機位于管鏡鏡組焦點位置，ccd相機通過管鏡鏡組采集白光干涉圖像，光電探測器用于探測激光共焦信號，上述器件均以空間光路集成于一個測量探頭中。
本發(fā)明進一步的改進在于，白光干涉裝置采用mach-zehnder結構，在其參考光路中依次設置了光纖環(huán)形器、光延遲線、第三光纖準直器、反射鏡和壓電陶瓷；其中，光延遲線和壓電陶瓷由計算機控制，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現(xiàn)軸向掃描。
本發(fā)明進一步的改進在于，測量探頭中還設置了多孔環(huán)帶濾波器插件，該多孔環(huán)帶濾波器插件設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，實現(xiàn)激光共焦高分辨率成像；測量探頭安裝于五維運動臺上，用于對其進行三維平移和二維旋轉以實現(xiàn)高自由度位姿調(diào)整。
本發(fā)明進一步的改進在于，工作時，打開寬帶光源，關閉激光光源，多孔環(huán)帶濾波器插件置空，計算機控制五維運動臺做三維平移和二維旋轉，使測量探頭以設定的高度垂直入射到待測光學元件表面上，通過觀察ccd相機成像，使顯微物鏡對焦到待測子孔徑區(qū)域；控制光延遲線和壓電陶瓷對干涉層進行軸向移動以選擇設定的表面掃描范圍，控制壓電陶瓷從設定高度開始向下進行表面形貌的掃描測量，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；
關閉寬帶光源，在光延遲線中對參考光路進行切斷，打開激光光源，在多孔環(huán)帶濾波器插件上選擇設定的環(huán)形濾波器，根據(jù)上一步得到的亞表面損傷分布與類型，控制五維運動臺依次在損傷位置做軸向層析，獲取子孔徑區(qū)域亞表面損傷深度；
控制五維運動臺移動測量探頭到下一個測量區(qū)域，重復上述操作，采用子孔徑拼接算法，完成整個評估區(qū)域的測量。
本發(fā)明具有如下的有益效果：
本發(fā)明提供的用于光學元件加工質(zhì)量在線檢測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行了共光路集成，可對同一檢測區(qū)域實現(xiàn)多參數(shù)同步檢測；另外，光纖器件的引入使實際干涉共焦系統(tǒng)變得靈活、結構簡單緊湊、抗干擾能力強，如測量探頭可與系統(tǒng)主體裝置分離，且空間距離可靈活調(diào)整，能夠實現(xiàn)光學元件加工質(zhì)量的在線檢測。
進一步，白光干涉裝置采用mach-zehnder光纖干涉結構，結合測量探頭空間光路的設計可實現(xiàn)全場測量；光纖環(huán)形器的引入使得白光干涉軸向掃描測量過程可在遠離測量探頭的地方進行，增強測量探頭的靈活性；采用光延遲線和壓電陶瓷相結合的光程調(diào)整方法以迅速定位干涉位置并實現(xiàn)軸向掃描。
進一步，測量探頭中，在顯微物鏡前端設計配備多孔環(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，可實現(xiàn)高分辨率共焦顯微成像；測量探頭馱載于五維運動臺上進行位姿改變，無需調(diào)整待測光學元件位置，采用子孔徑拼接算法，可實現(xiàn)大口徑光學元件加工質(zhì)量的在線檢測。
進一步，光纖白光干涉和激光共焦系統(tǒng)的共光路設計可保證光學元件表面面形、表面粗糙度和亞表面損傷的檢測處于同一區(qū)域，經(jīng)過一個檢測過程即可完成以上三個參數(shù)的測量，因此可真實有效地反映待測元件加工質(zhì)量。
附圖說明
圖1為光纖干涉共焦集成測量系統(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-第一光纖準直器，8-第二光纖準直器，9-帶寬分光棱鏡，10-計算機，11-顯微物鏡，12-管鏡鏡組，13-ccd相機，14-光電探測器，15-多孔環(huán)帶濾波器插件，16-五維運動臺，17-光纖環(huán)形器，18-光延遲線，19-第三光纖準直器，20-反射鏡，21-壓電陶瓷，22-待測光學元件。
具體實施方式
以下結合附圖對本發(fā)明具體實施方式作進一步的詳細說明。
如圖1所示，本發(fā)明用于光學元件加工質(zhì)量在線檢測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、計算機10和分別與計算機連接的ccd相機13、光電探測器14、五維運動臺16；其中，光源切換裝置由寬帶光源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構成；白光干涉裝置采用mach-zehnder干涉結構，由2×2光纖耦合器6、第一光纖準直器7、第二光纖準直器8、帶寬分光棱鏡9、光纖環(huán)形器17、光延遲線18、第三光纖準直器19、反射鏡20和壓電陶瓷21構成，ccd相機13通過管鏡鏡組12采集白光干涉圖像；激光共焦裝置采用反射式共焦結構，由2×2光纖耦合器6、第一光纖準直器7、帶寬分光棱鏡9、多孔環(huán)帶濾波器插件15和顯微物鏡11構成，光電探測器14用于探測激光共焦信號；所述白光干涉裝置和激光共焦裝置采用共光路結構，對同一檢測區(qū)域實現(xiàn)多信息同步檢測
如圖1所示，所有粗實線代表光纖光路，寬帶光源1為帶尾纖輸出的led，激光光源2為帶尾纖輸出的半導體激光器，光源切換裝置與干涉裝置、共焦裝置以及光纖器件之間均以單模光纖連接；圖中雙虛線代表空間光路，其上箭頭表明了光的傳播方向。虛線框表示測量探頭，其與五維運動臺16虛線連接表示機械裝配；圖中帶箭頭指向的細實線表示電路連接，分別表示了數(shù)據(jù)采集和光機控制。其中，所述寬帶光源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、2×2光纖耦合器6、第一光纖準直器7、第二光纖準直器8、光電探測器14、光纖環(huán)形器17、光延遲線18和第三光纖準直器19之間均采用單模光纖進行連接；所述第一光纖準直器7和第二光纖準直器8相對設置于帶寬分光棱鏡9兩側的透射光軸上，管鏡鏡組12和顯微物鏡11分別設置于帶寬分光棱鏡9兩側的反射光軸上，ccd相機13位于管鏡鏡組12焦點位置，多孔環(huán)帶濾波器插件15位于顯微物鏡11前端，上述器件均以空間光路集成于一個測量探頭中。
工作時分兩個階段，具體步驟為：
打開寬帶光源1，關閉激光光源2，多孔環(huán)帶濾波器插件15置空，計算機10控制五維運動臺16做三維平移和二維旋轉，使測量探頭以設定的高度垂直入射到待測光學元件22表面上；寬帶光源1發(fā)出的白光經(jīng)過第一光纖隔離器3、2×1光纖耦合器5后從2×2光纖耦合器6的一端進入，經(jīng)分光后從第一光纖準直器7和第二光纖準直器8射出，兩路光分別為參考光路和測量光路，測量光路的光從第一光纖準直器7入射到帶寬分束棱鏡9上，經(jīng)反射后依次通過置空的多孔環(huán)帶濾波器插件15和顯微物鏡11后，聚焦于待測光學元件22上，經(jīng)待測光學元件22反射后再次通過顯微物鏡11、多孔環(huán)帶濾波器插件15，入射到帶寬分束棱鏡9的分束面上；參考光路的光從光纖環(huán)形器17的第一端口進入，從第二端口出射后依次通過光延遲線18、第三光纖準直器19和反射鏡20后也再次反射耦合進第三光纖準直器19，沿原路返回又通過光延遲線18從光纖環(huán)形器17的第二端口進入，再從第三端口通過第二光纖準直器8入射到帶寬分束棱鏡9的分束面上；測量光和參考光在帶寬分束棱鏡9的分束面上發(fā)生干涉，經(jīng)管鏡鏡組12成像于ccd相機13上，記錄下測量口徑中微區(qū)域的顯微放大的白光干涉圖像；由計算機10控制光延遲線18和壓電陶瓷21對干涉層進行軸向粗調(diào)和精調(diào)以快速選擇設定的表面掃描范圍，控制壓電陶瓷21從設定高度開始向下進行表面形貌的掃描測量，獲取子孔徑區(qū)域表面面形和粗糙度參數(shù)。
關閉寬帶光源1，在光延遲線18中對參考光路進行切斷，打開激光光源2，針對不同分辨率要求，在多孔環(huán)帶濾波器插件15上選擇設定的環(huán)形濾波器；激光光源2發(fā)出的激光通過第二光纖隔離器4、2×1光纖耦合器5后從2×2光纖耦合器6的一端進入，沿測量臂從第一光纖準直器7射出，經(jīng)帶寬分光棱鏡9分束面反射后依次通過多孔環(huán)帶濾波器插件15和顯微物鏡11，聚焦于待測光學元件22表面；經(jīng)待測表面反射或亞表面損傷散射后，光信號沿原路返回，再次耦合進第一光纖準直器7，從2×2光纖耦合器6的一端進入，從連接光電探測器14的一端輸出，以本系統(tǒng)所用單模光纖的端面來代替探測針孔，在光纖的輸出端使用光敏面遠大于纖芯的光電探測器14輸出積分光強；由計算機10控制五維運動臺16進行軸向層析，完成子孔徑區(qū)域亞表面損傷參數(shù)的檢測。
控制五維運動臺16移動測量探頭到下一個測量區(qū)域，重復上述操作，采用子孔徑拼接算法，完成整個評估區(qū)域的測量。