CN201974286U - 一种检测透镜面形偏差用30度分光器检测装置 - Google Patents

Abstract

一种检测透镜面形偏差用30度分光器检测装置，涉及小型球面干涉仪。装置由定位固定的30度分光器、分光器右斜上方设置的定位固定的扩束整形装置、扩束整形装置右斜上方的定位固定的检测光源、分光器左上方的观察接收屏、分光器下方以接合面为对称的定位固定的右侧光学样板及左侧待测透镜组成，分光器由两个同形状直角三角形棱镜其对应的30度直角边接合而成，且在接合面镀有一层半透半反膜，扩束整形装置的光束的中心轴线垂直于右直角三角形棱镜的斜面，观察接收屏平行于左直角三角形棱镜的斜面，光学样板、待测透镜的光轴分别平行于分光器的接合面。以光学样板代替昂贵的标准镜头产生干涉的参考波前。不用长导轨，使仪器小型化。

Description

一种检测透镜面形偏差用30度分光器检测装置

技术领域

本实用新型涉及小型球面干涉仪，特别适用于在线无损检验球面镜片曲率半径偏差、象散偏差、局部偏差的球面干涉仪。

背景技术

被检光学表面相对于参考光学表面的偏差称面形偏差，面形偏差包括三项：半径偏差、象散偏差、局部偏差。

检验抛光后的光学零件面形偏差通常采用光学样板或干涉仪，检验方法都是根据光的干涉原理，在光学车间检验光学零件的面形偏差，常用的方法有干涉图样法和阴影法。干涉图样法可分为接触法(即样板法)和非接触法(即干涉仪法)。目前光学加工企业在线检测常用光学样板对加工镜片接触加压观察干涉环，由于直接接触加压，对镜片的表面光洁度造成破坏，使得高精度光学镜片的加工过程中好不容易达到了面形精度，检验过程又破坏了表面光洁，而且光学样板在使用过程中因磨损会给测量结果带来不易察觉的误差，造成反复返工甚至报废、大大降低了生产效率、增加了生产成本。

激光检测技术属于非接触式测量技术，与接触式测量方法相比，干涉测量有更高的灵敏度和准确度，更高的效率，不会损伤测量表面，不易受被测对象表面状态影响等优点，扩大了测量范围，在精密、超精密加工测量和实时测控的诸多领域中均获得广泛的应用。泰曼型干涉测量和斐索型干涉测量是目前两种最为经典、应用也很广泛的干涉测量技术。

目前实验室里、国内外的各种类型干涉仪可以实现对平面和球面光学零件面形的精确测量，能够达到较高的测量精度但是仪器价格昂贵；在目前的泰曼-格林型、斐索型球面干涉仪，测量原理都是通过调节待测镜片的球心与有标准镜头射出的标准球面波光束会聚中心相重合，通过干涉条纹的判读方法，定量处理分析被测镜片的面形偏差。其检测如图1所示，空间同光轴间隔自左至右依次分布点光源、分束镜、有限共轭距物镜、后表面可实现半透半反的标准镜头、待测透镜，点光源经过有限共轭距物镜后形成一束平行光，继续前进在标准镜头的后表面(基准面)，部分反射为参考光束；部分透射并经过待测透镜的被测面发射为检测光束。检测光束自准直返回，与参考光束重合，形成等厚干涉条纹，两束光束经过分束镜反射后进入观察区域。通过分析干涉条纹情况可实现对待测透镜的被测面的面行偏差的检测。这样测量范围受到标准镜头相关孔径的限制，需要多种规格的标准镜头，并且需要一定长度的导轨来实现待测透镜的移动，使基准面的球心与被测面的球心重合。目前的球面干涉仪只能测量出被测球面面形的局部偏差，干涉图不能反映曲率半径相对名义值的偏差，所以在实 际仪器上带有专门用来测量被测球面曲率半径的附加系统。

因此，光学加工企业非常迫切的需要现场应用、特别是对加工过程中的在线检测的小型化、价格低廉的面形检测系统，实现在线快速无损检验球面镜片的曲率半径偏差、象散偏差、局部偏差，提高生产效率。

发明专利200310122011.9改进型迈克尔逊干涉仪公开了一种分光器，该分光器是由两片完全相同的等边直角棱镜接和而成的分光棱镜，且在接和面上镀有一层半透半反膜，它可以实现光束的透镜和反射。它用于波长的测定，未应用到透镜的面形偏差检测。

待测透镜处于待测位置其几何位置需要作x、y、z轴空间三方向平动及其球面朝向，光轴相对角度旋转调节才能满足精确检测，中国专利97231037.1三维工作台公开了一种x、y、z轴调节装置，但不能作旋转及偏摆。

发明内容：

本实用新型目的在于克服上述缺陷，提供一种检测透镜面形偏差用30度分光器检测装置。

本实用新型方案是：装置由定位固定的30度分光器、分光器右斜上方设置的定位固定的扩束整形装置、扩束整形装置右斜上方的定位固定的检测光源、分光器左上方的观察接收屏、分光器下方以接和面为对称的定位固定的右侧光学样板及左侧待测透镜组成，分光器由两个同形状直角三角形棱镜其对应的30度直角边接和而成，且在接和面镀有一层半透半反膜，扩束整形装置的光束的中心轴线垂直于右直角三角形棱镜的斜面，观察接收屏平行于左直角三角形棱镜的斜面，光学样板、待测透镜的光轴分别平行于分光器的接和面。

本实用新型优点在于：

1、用光学车间里现有的各种不同曲率半径的光学样板代替价格昂贵的标准镜头产生干涉的参考波前。

2、不用长导轨，使仪器小型化。

附图说明：

图1为现有技术斐索干涉原理图。

图2为本实用新型结构示意图。

图3为光线在分光器中的光路示意图

图中1.检测光源，2.扩束整形装置，3.分光器，4.光学样板，4a.光学样板的基准面，5.待测透镜，5a.待测透镜的待测面，6.观察接收屏，7.镜盘托架，8.万向节上座，9.万向节下座，10.螺杆，11.万向杆，12.三维工作台，13.接收屏

具体实施方式：

本实用新型装置由定位固定的30度分光器3、分光器3右斜上方设置的定位固定的扩束整形装置2、扩束整形装置2右上方的定位固定的检测光源1、分光器3左斜上方的观察接收屏6、分光器3下方以接和面为对称的定位固定的右侧光学样板4及左侧待测透镜5组成，分光器3由两个同形状直角三角形棱镜其对应的30度直角边接和而成，且在接和面镀有一层半透半反膜，扩束整形装置2的光束的中心轴线垂直于右三角形直角棱镜的斜面，观察接收屏6平行于左三角形直角棱镜的斜面，光学样板4、待测透镜5的光轴分别平行于分光器3的接和面。

检测凸待测透镜5时则用凸光学样板4，检测凹检测透镜5时则用凹光学样板4。

从检测光源1射出的细光束入射到用于扩大该激光光束直径的扩束整形装置2，由该扩束整形装置2扩束到适应于检测口径的光束直径为止，该光束可以是平行光束或发散光束。当光束以垂直于分光器3的斜面入射，在接和面分成两束光束，一束光束经过分光器3的右斜面反射后以平行于接和面的方向射向凸光学样板4或凹光学样板4的基准面4a，经反射后沿原路返回，接着经过接和面以垂直于左斜面的方向反射后射向观察接收屏6，形成参考波前；另一束光束经过分光器3的左斜面反射后同样以平行于接和面的方向射向凸待测透镜或凹待测透镜的待测面5a，经反射后沿原路返回，接着经过左斜面及接和面反射后以垂直于左斜面的方向射向观察接收屏6，形成测试波前。参考波前与测试波前汇合后形成干涉，在观察接收屏6处可以观察到干涉条纹。如果以其他角度入射的话参考波前与测试波前汇合将无法形成最佳干涉。

若干个凸待测透镜5安装在镜盘托架7的外凸球缺体上或是若干个凹待测透镜5安装在镜盘托架7的碗状体内凹球面上，镜盘托架7下部为圆锥空腔轴套；另设置有五维平转工作台，工作台结构为三维工作台12顶面上固定一个万向杆11，万向杆11顶部为一个大于半球形的球台，球台上部套合有万向节上座8，万向节上座8下部中央为半球状空腔凹槽，另设置有两个对称的万向节下座9，两个万向节下座9合体后上部呈球台状空腔，球台状空腔下部为圆孔，万向节上座8与万向节下座9将万向杆11球台套合包裹其中后，四螺杆10穿过万向节下座9的通孔后拧合在万向节上座8的螺纹孔中实施定位；镜盘托架7下部圆锥空腔套合在万向节上座8上部对应的圆锥外圆上。

上述三维工作台12为中国专利号97231037.1的现有技术，由于万向节上下座与万向杆11的套合为过渡配合，两者之间有阻尼力作用，所以在调节过程中间镜盘托架7可以实施定位阻尼转动及偏摆，五维平转工作台可作五维调节。

将镜盘托架7上的一个待测透镜5通过五维平转工作台调节使其光轴与入射到该待测透镜5的光束的中心轴线重合，并在中心轴线方向上下移动使两束光束的光程大致相等，在观察接收屏6上可以观察到干涉条纹，而且参考波前和测试波前在前后很大范围内重叠在一起，因此可在很大的深度范围内观察到清晰的干涉条纹。观察接收屏6沿光学样板4的光轴中心线方向可以前后移动，以便得到合适的干涉图样，对干涉图样进行分析计算就可以得到待测透镜的待测面5a的面形偏差。

还可以通过在光学样板4上装有压电陶瓷移相器，驱动光学样板4使其产生几分之一波长量级的光程变化，使干涉场产生变化的干涉图样，通过对干涉图样的处理，自动消除干涉场中的固定噪声和面阵探测器的不一致性。

光束从空气到光学材料或是从光学材料到空气，当光束为正入射时，光强反射率最低；光束从光学材料入射到空气时，当入射角大于或等于全反射临界角i_c＝arcsin(1/n)，产生全反射。常用晶体及光学玻璃折射率从1.458(熔凝石英)到1.755(重火石玻璃)，由此计算得到全反射临界角i_c从34.7°到43.3°。光学材料的折射率越高，因反射而损失的光线就越多，折射率越大，全反射临界角越小。

如图3所示，由图中的几何关系可以得知，要实现光束从三棱镜的斜面正入射并且从底面正出射，必须满足条件：

β＝2kα(k＝1，2，3，...)

γ_n＝2nα(n＝1，2，...，k)

α+β＝90°

式中α为三棱镜的顶角，β为三棱镜的底角，γ为光束在三棱镜斜面的反射角，k为光束在三棱镜斜面反射的总次数，n为光束在在三棱镜斜面反射的次数。

由以上各式可以得知

k＝1时，α＝30°，γ1＝60°；

k＝2时，α＝18°，γ1＝36°，γ2＝72°；

k＝3时，α≈13°，γ1＝26°＜34.7°，不满足全反射条件。

又因为该三棱镜接和而成的分光器呈完全对称结构，分别在与从三棱镜的底面出射的光束的中心轴线垂直的位置放置平面反射镜，且两个平面反射镜距离三棱镜的底面大致相等的话，光束在三棱镜的斜面反射k＝2次时，光束将会斜面重合2次，即接收屏13上会有2套干涉条纹叠加在一起，降低条纹的对比度。

根据以上分析，本实用新型的分光器选用两个同形状直角三角形棱镜时最佳方案是选用一锐角为30度的两个直角三角形棱镜接和而成，且在接和面镀有一层半透半反膜。

Claims (2)

1.一种检测透镜面形偏差30度分光器检测装置，其特征在于：由定位固定的30度分光器(3)、分光器(3)右斜上方设置的定位固定的扩束整形装置(2)、扩束整形装置(2)右斜上方的定位固定的检测光源(1)、分光器(3)左上方的观察接收屏(6)、分光器(3)下方以接和面为对称的定位固定的右侧光学样板(4)及左侧待测透镜(5)组成，分光器(3)由两个同形状直角三角形棱镜其对应的30度直角边接和而成，且在接和面镀有一层半透半反膜，扩束整形装置(2)的光束的中心轴线垂直于右直角三角形棱镜的斜面，观察接收屏(6)平行于左直角三角形棱镜的斜面，光学样板(4)、待测透镜(5)的光轴分别平行于分光器(3)的接和面。

2.根据权利要求1所述的一种检测透镜面形偏差30度分光器检测装置，其特征在于：若干个凸待测透镜(5)安装在镜盘托架(7)的外凸球缺体上或是若干个凹待测透镜(5)安装在镜盘托架(7)的碗状体内凹球面上，镜盘托架(7)下部为圆锥空腔轴套；另设置有五维平转工作台，工作台结构为三维工作台(12)顶面上固定一个万向杆(11)，万向杆(11)顶部为一个大于半球形的球台，球台上部套合有万向节上座(8)，万向节上座(8)下部中央为半球状空腔凹槽，另设置有两个对称的万向节下座(9)，两个万向节下座(9)合体后上部呈球台状空腔，球台状空腔下部为圆孔，万向节上座(8)与万向节下座(9)将万向杆(11)球台套合包裹其中后，四螺杆(10) 穿过万向节下座(9)的通孔后拧合在万向节上座(8)的螺纹孔中实施定位；镜盘托架(7)下部圆锥空腔套合在万向节上座(8)上部对应的圆锥外圆上。

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