CN101251497A - 光学玻璃均匀性测试装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种光学玻璃均匀性测试装置及其测试方法，该装置包括干涉仪数据采集系统和待测光学玻璃调配系统，干涉仪和数据采集系统，由激光器、分束器、扩束物镜、成像物镜、CCD相机和图像采集处理器组成，待测光学玻璃调配系统，包括一液槽，在该液槽内依次置放托板、花岗岩平板、升降网和待测光学玻璃，该液槽设有排液阀和注液阀，其内装有折射率匹配液，该液槽通过管道、注液阀与盛有折射率匹配液的液罐相通，所述的液槽置于倾斜调整机构上，该倾斜调整机构置于防振台上。本发明能直接测量表面不进行预加工的光学玻璃的均匀性，是光学玻璃折射率均匀性的绝对测量，该测试装置可以达到4×10－7精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学玻璃，特别是一种光学玻璃均匀性测试装置及其测试方法，尤其适用于大尺寸高精度光学玻璃材料的均匀性测试。
背景技术
近年来用于激光约束聚变的大能量、高功率激光装置发展迅猛，如美国的NIF和中国的“神光”，这些激光装置需要大量的大尺寸(对角线0.5～1m)平面类透射激光光学元件。激光系统对这类光学元件的透射波面误差的要求一般在0.25～0.1λ(P-V值)。要加工出精度如此高的光学元件，一方面对材料的光学均匀性提出要求非常高，因为厚度为40mm的玻璃材料，局部折射率10-6量级的变化，其单次透射光波引起的畸变就达到0.1λ(n取1.53，λ取0.633μm)；另一方面在玻璃的均匀性确定的情况下，假如能够测量出均匀性的分布情况就可以在光学加工中采取加工补偿的办法获得整个透射波面满足要求的光学元件，这在大尺寸激光平面光学元件的加工中是尤为重要的。
郭培基，余景池等人研制了采用激光干涉仪的高精度光学玻璃光学均匀性测量仪(《激光杂志》2004年第25卷第3期)。该光学玻璃的均匀性测试装置示意图见图1。它是通过四步测量方法得到被测样品均匀性的绝对测量值，见图2。
在已知的如图1和图2所示的光学玻璃均匀性测试装置和测试方法中：由激光器1发射的激光束经消相干和照明整形等环节，经分束器2，再经扩束系统3扩束至工件所需的光束口径，之后平行光束经过标准平面镜4，经标准平面镜4后表面反射的一路光束返回，另一路光束继续通过被测工件5到达后反射镜6之后返回，两路光束先后通过分束器2再经成像物镜7在CCD8的像面上产生干涉条纹。干涉条纹通过图像采集在计算机9系统中进行分析计算。图1所描绘测试装置所采集的干涉图不仅包含了被测工件均匀性的信息，而且包括了系统的误差、前后标准面误差和工件本身的前后表面的误差。图2中步骤一，标准平面镜4-1的后标准面反射参考波与被测工件的前表面5-1反射波相干成像数据采集为M1(x，y)；步骤二，标准平面镜的后标准面4-1反射参考波与被测工件的后表面5-2反射波相干成像数据采集为M2(x，y)；步骤三，标准平面镜的后标准面4-1反射参考波与后反射镜面6-1反射后再经过被测工件的反射波相干成像数据采集为M3(x，y)；步骤四，标准平面镜的后标准面4-1反射参考波直接与后反射镜面6-1反射被相干成像数据采集为M4(x，y)；通过图2所示的四步测量法可以解出被测工件的折射率均匀性的绝对数据：
Δn(x，y)＝{(n0-1)〔M1(x，y)-M2(x，y)〕+n0〔M3(x，y)-M4(x，y)〕}/2t
(光学玻璃光学均匀性的绝对测量技术，《激光杂志》2003年第24卷第3期)。
上述方法虽然是一种绝对的测量方法，但是需要通过上述四个步骤去除系统引入的误差，每次测量都需要得到一定精度的干涉条纹，不然引入误差量会很大。而且，所述的四步测量是在不同的时间段完成，由于时间差引入的空气扰动和气流造成的误差不能够剔除掉。被测工件仍然需要加工到一定的面形精度。
发明内容
为了更加精确和方便的测量光学玻璃的均匀性，本发明的目的在于提供一种光学玻璃均匀性测试装置及其测试方法，该装置应能直接测量表面不进行预加工的光学玻璃的均匀性。
本发明的技术解决方案是：
一种光学玻璃均匀性的测试装置，其特点是包括：干涉仪和数据采集系统和测试系统
干涉仪和数据采集系统，由激光器、分束器、扩束物镜、成像物镜、CCD相机和图像采集处理器组成，其位置关系是：激光器发出的激光透过分束器经扩束物镜扩束准直后照射置于液槽中的待测光学玻璃，该扩束物镜又收集由所述的液槽方向的反射光束经分束器反射后，由成像物镜成像被所述的CCD相机摄像并传送给图像采集处理器；
待测光学玻璃调配系统，包括一液槽，在该液槽内依次置放托板、花岗岩平板、升降网和待测光学玻璃，该液槽设有排液阀和注液阀，其内装有折射率匹配液，该液槽通过管道、注液阀与盛有折射率匹配液的液罐相通，所述的液槽置于倾斜调整机构上，该倾斜调整机构置于防振台上。
所述的干涉仪和数据采集系统采用固定立式安装于相对独立的空间，所述的图像采集处理器独立于一测试房间。
所述的扩束物镜的前表面与所述的液槽内的折射率匹配液最高液面的距离为30～80cm。
所述的花岗岩平板上表面的面形的P-V值为λ/10，并镀制增反模，该增反膜的反射率为40％～70％，λ为激光器的激光波长。
所述的托板是开有多条同心圆槽的板。
所述的折射率匹配液用α溴代钠和火油配置，与待测光学玻璃的折射率相同。
利用上述光学玻璃均匀性的测试装置机进行玻璃均匀性的测试方法，包括下列步骤：
①打开注液阀将配置好的折射率匹配液从液罐缓缓的注入液槽内，注入的液体量要能够浸没待测光学玻璃，在地球的重力下液面将保持平稳和水平，该液面的面形标记为A(x，y)，花岗岩平板的标准反射面的面形标记为B(x，y)，开机，激光干涉仪的CCD相机和图像采集处理器采集由液面反射的波前和通过液面并由花岗岩平板的标准反射面反射的波前的相干成像，这时检测到的波相差标记为H1(x，y)：
H1(x，y)＝2A(x，y)+2n0B(x，y) (1)，
式中：n0是待测光学玻璃的折射率，x和y是待测光学玻璃的位置坐标；
②利用升降网将待测光学玻璃缓缓的放入液槽内并使待测光学玻璃完全被液槽内的折射率匹配液浸入，激光干涉仪的CCD相机和图像采集处理器采集由液面反射的波前与透过液面和待测光学玻璃后再由花岗岩平板的标准反射面反射的波前相干成像，这时检测的波相差标记为H2(x，y)：
H2(x，y)＝2A(x，y)+2tΔn(x，y)+2n0B(x，y) (2)；
③图像采集处理器进行数据处理，由(2)式减去(1)式，得到待测光学玻璃的均匀性图像
Δn(x，y)＝{H2(x，y)-H1(x，y)}/2t。
从上述可以看出，待测光学玻璃的均匀性图像不仅不包含待测光学玻璃的面形误差，也不包含系统和装置中花岗岩平板的标准反射面的面形误差，因此本发明在原理上也是一种玻璃光学均匀性的绝对测量方法。
所述的液槽内的折射率匹配液满足h1+h2＝h，
其中：h为未放入待测光学玻璃时，折射率匹配液液面与花岗岩平板上表面的距离；放入待测光学玻璃后，h1为待测光学玻璃的底面和花岗岩平板的标准反射面之间距，h2为待测光学玻璃顶面与折射率匹配液液面之间距。
因为折射率匹配液能够很好的与待测光学玻璃表面亲和，所以即使不进行精密抛光的“毛面”玻璃也可以检测。通过倾斜调制机构可以在检测时调整像面上的干涉条纹的疏密，以获得最佳精度。
本发明光学玻璃均匀性测试装置，包括干涉仪和数据采集系统和待测光学玻璃调配系统。本发明主要改进是：干涉仪和数据采集系统采用菲索型商用激光平面干涉仪或剪切干涉仪级其附带软件并进行扩束。待测光学玻璃调配系统：采用花岗岩材料加工标准反射镜(热膨胀系数低、耐腐蚀)，采用与待测光学玻璃的折射率匹配液。花岗岩平板放置在带倾斜调整机构的液槽中，液槽可以循环注液并控制液面高度。采用网实现被测工件的升降。因此本发明的技术效果是：
1、通过两个测试步骤就能实现均匀性的绝对测量；
2、不需要对待测玻璃进行预加工就可以直接检测均匀性；
3、降低了对标准反射面的质量要求；
4、使用折射率匹配液的液面作为参考反射面，省掉干涉仪测试的前标准平板，节约制造成本；
5、减少空气分布不均和扰动的影响。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1是已有的光学玻璃的均匀性测试仪原理示意图。
图2是图1光学玻璃均匀性测试仪的测试步骤示意图。
图3是本发明光学玻璃均匀性测试装置示意图。
图4是本发明光学玻璃均匀性测试装置的测试步骤示意图。
图5是图3中托板展开示意图。
图6是图3中升降网的展开示意图。
具体实施方式
先请参阅图3，图3是本发明光学玻璃均匀性测试装置示意图。由图可见，本发明光学玻璃均匀性的测试装置，包括：
干涉仪和数据采集系统31，由激光器31-1、分束器31-2、扩束物镜31-3、成像物镜31-4、CCD相机31-5和图像采集处理器31-6组成，其位置关系是：激光器31-1发出的激光透过分束器31-2经扩束物镜31-3扩束准直后照射置于液槽32-1中的待测光学玻璃33，该扩束物镜31-3又收集由所述的液槽32-1方向的反射光束经分束器31-2反射后，由成像物镜31-4成像被所述的CCD相机31-5摄像并传送给图像采集处理器31-6；
待测光学玻璃调配系统32，包括一液槽32-1，在该液槽32-1内依次置放托板32-9、花岗岩平板32-2、升降网32-6和待测光学玻璃33，该液槽32-1设有排液阀32-8和注液阀32-7，其内装有折射率匹配液32-5，该液槽32-1通过管道、注液阀32-7与盛有折射率匹配液的液罐32-4相通，所述的液槽32-1置于倾斜调整机构32-3上，该倾斜调整机构32-3置于防振台34上。
所述的干涉仪和数据采集系统31采用固定立式安装于相对独立的空间，以提高系统稳定性。所述的图像采集处理器31-6独立于一测试房间，避免人体在测试过程中引入的热源和气流。所述的待测光学玻璃调配系统32靠防振台34和在测试房间内加防振地基来保持稳定。
所述的扩束物镜31-3的前表面与所述的液槽32-1内的折射率匹配液32-5最高液面的距离为30～80cm，距离太长测试过程受气流的影响就越严重。
所述的花岗岩平板32-2上表面的面形的P-V值为λ/10，并镀制增反模，该增反膜的反射率为40％～70％，λ为激光器31-1的激光波长。
花岗岩平板32-2放置在托板32-9上可以减小花岗岩平板的形变量。所述的托板32-9是开有多条同心圆槽的板(见图5)。
通过液罐32-5和注液阀32-7、排液阀32-8进行注液和排液并控制折射率匹配液液面高度，在注液过程中要缓缓注入避免出现气泡。
所述的折射率匹配液32-5用α溴代钠和火油配制，与待测光学玻璃的折射率相同。在测量统一折射率的工件时，折射率匹配液在一定的检测周期内可以循环使用。
待测光学玻璃33靠升降网32-6(图6)实现升降并与花岗岩平板上表面保持一定的间隙。升降网的网格不要过密，否则会影响光束的透过率。
利用上述光学玻璃均匀性的测试装置机进行光学玻璃均匀性的测试方法，包括下列步骤：
①打开注液阀32-7将配置好的折射率匹配液缓缓的注入液槽32-1内，注入的液体量要能够浸没待测光学玻璃33，在地球的重力下液面将保持平稳和水平，该液面的面形标记为A(x，y)，花岗岩平板32-2的标准反射面的面形标记为B(x，y)，开机，激光干涉仪的CCD相机31-5和图像采集处理器31-6采集由液面反射的波前和通过液面并由花岗岩平板32-2的标准反射面反射的波前的相干成像，这时检测到的波相差标记为H1(x，y)：
H1(x，y)＝2A(x，y)+2n0B(x，y) (1)，
式中：n0是待测光学玻璃的折射率，x和y是待测光学玻璃的位置坐标；
②利用升降网32-6将待测光学玻璃33缓缓的放入液槽32-1内并使待测光学玻璃33完全被液槽32-1内的折射率匹配液32-5浸入，激光干涉仪的CCD相机31-5和图像采集处理器31-6采集由液面反射的波前与透过液面和待测光学玻璃33后再由花岗岩平板32-2的标准反射面反射的波前相干成像，这时检测的波相差标记为H2(x，y)：
H2(x，y)＝2A(x，y)+2tΔn(x，y)+2n0B(x，y) (2)；
③图像采集处理器31-6进行数据处理，由(2)式减去(1)式，得到待测光学玻璃(33)的均匀性图像
Δn(x，y)＝{H2(x，y)-H1(x，y)}/2t。
所述的液槽内的折射率匹配液满足h1+h2＝h，
其中：
h为未放入待测光学玻璃33时，折射率匹配液32-5液面与花岗岩平板32-2上表面的距离，
放入待测光学玻璃33后，h1为待测光学玻璃33的底面和花岗岩平板32-2的标准反射面之间距，h2为待测光学玻璃33顶面与折射率匹配液32-5液面之间距。
下面是一个具体测试实施例，参见图4：
步骤一，注入一定量的折射率匹配液于液槽内，液面高出花岗岩平板上表面约h＝20mm(待测光学玻璃的厚度40mm左右)。待折射率匹配液液面稳定后打开激光器31-1和电源，经整形和扩束的激光束到达折射率匹配液32-5液面后一部分光返回(图4中光束1)，剩下的光透过液体到达花岗岩平板32-2上表面被反射(图4中光束2)，上述两束光相干成像于CCD相机31-5上，通过微调倾斜调整机构32-3可以改变标准反射面与液面的夹角，从而改变干涉条纹的疏密。由图像采集与处理系统31-6采集并记录保存，此时便记录了波相差信息H1(x，y)。
步骤二，放入待测光学玻璃33，再加注折射率匹配液，使液面上升并完全浸没待测光学玻璃33，而且待测光学玻璃33底面和花岗岩平板32-2上表面之间的间距h1，待测光学玻璃33顶面与折射率匹配液液面之间的间距h2，要满足h1+h2＝h(使液后条件相同以减小测量误差)。待折射率匹配液完全和工件表面亲和并稳定后开始第二次测试。光束到达折射率匹配液液面仍然由匹配液折射率匹配液32-5液面反射一部分光(图4中光束1′)，剩下的光将透过折射率匹配液和待测光学玻璃33(由于折射率相同，光束在待测光学玻璃33与折射率匹配液液体的分界面上不产生反射和折射)到达花岗石平板32-2上表面并被反射(图4中光束2′)。光束1′和光束2′发生相干成像于CCD上，由图像采集与处理器31-6采集并记录保存，此时记录了波相差信息H2(x，y)。
步骤三，图像采集处理器31-6进行数据处理，由(2)式减去(1)式，得到待测光学玻璃(33)的均匀性图像
Δn(x，y)＝{H2(x，y)-H1(x，y)}/2t。
精度和误差分析：实际测量中虽然光束1和光束1′同样表征的是匹配液32-5液面的反射波前A(x，y)，在平稳静止状态下为地球的曲率半径，约相当于0.03λ的面形误差，(λ＝0.6328μm)。虽然该误差也不包含在测试误差内，但是，两次测量时实际上的气流和环境状态不同，该影响叠加在最终的测试误差中，这在测量时可引入不确定误差，因此，在测试中两个步骤的测量应保持环境条件的一致。影响精度的主要原因还包括干涉仪系统的随机误差，用干涉仪随机误差一般小于λ/30，因此对于厚为40mm厚度左右的样品，检测精度可以达到4×10-7。
Claims (8)
1、一种光学玻璃均匀性的测试装置，其特征在于包括：
干涉仪和数据采集系统(31)，由激光器(31-1)、分束器(31-2)、扩束物镜(31-3)、成像物镜(31-4)、CCD相机(31-5)和图像采集处理器(31-6)组成，其位置关系是：激光器(31-1)发出的激光透过分束器(31-2)经扩束物镜(31-3)扩束准直后照射置于液槽(32-1)中的待测光学玻璃(33)，该扩束物镜(31-3)又收集由所述的液槽(32-1)方向的反射光束经分束器(31-2)反射后，由成像物镜(31-4)成像被所述的CCD相机(31-5)摄像并传送给图像采集处理器(31-6)；
待测光学玻璃调配系统(32)，包括一液槽(32-1)，在该液槽(32-1)内依次置放托板(32-9)、花岗岩平板(32-2)、升降网(32-6)和待测光学玻璃(33)，该液槽(32-1)设有排液阀(32-8)和注液阀(32-7)，其内装有折射率匹配液(32-5)，该液槽(32-1)通过管道、注液阀(32-7)与盛有折射率匹配液(32-5)的液罐(32-4)相通，所述的液槽(32-1)置于倾斜调整机构(32-3)上，该倾斜调整机构(32-3)置于防振工作台(34)上。
2、根据权利要求1所述的光学玻璃均匀性的测试装置，其特征在于所述的干涉仪和数据采集系统(31)采用固定立式安装于相对独立的空间，所述的图像采集处理器(31-6)独立于一测试房间。
3、根据权利要求1所述的光学玻璃均匀性的测试装置，其特征在于所述的扩束物镜(31-3)的前表面与所述的液槽(32-1)内的折射率匹配液(32-5)最高液面的距离为30～80cm。
4、根据权利要求1所述的光学玻璃均匀性的测试装置，其特征在于所述的花岗岩平板(32-2)上表面的面形的P-V值为λ/10，并镀制增反模，该增反膜的反射率为40％～70％，λ为激光器(31-1)的激光波长。
5、根据权利要求1所述的光学玻璃均匀性的测试装置，其特征在于所述的托板(32-9)是开有多条同心圆槽的板。
6、根据权利要求1所述的光学玻璃均匀性的测试装置，其特征在于所述的折射率匹配液用α溴代钠和火油配置，与待测光学玻璃的折射率相同。
7、利用权利要求1所述的光学玻璃均匀性的测试装置机进行光学玻璃均匀性的测试方法，其特征在于包括下列步骤：
①打开注液阀(32-7)将配置好的折射率匹配液缓缓的注入液槽(32-1)内，注入的液体量要能够浸没待测光学玻璃(33)，在地球的重力下液面将保持平稳和水平，该液面的面形标记为A(x，y)，花岗岩平板(32-2)的标准反射面的面形标记为B(x，y)，开机，激光干涉仪的CCD相机(31-5)和图像采集处理器(31-6)采集由液面反射的波前和通过液面并由花岗岩平板(32-2)的标准反射面反射的波前的相干成像，这时检测到的波相差标记为H1(x，y)：
H1(x，y)＝2A(x，y)+2n0B(x，y) (1)，
式中：n0是待测光学玻璃的折射率，x和y是待测光学玻璃的位置坐标；
②利用升降网(32-6)将待测光学玻璃(33)缓缓的放入液槽(32-1)内并使待测光学玻璃(33)完全被液槽(32-1)内的折射率匹配液(32-5)浸入，激光干涉仪的CCD相机(31-5)和图像采集处理器(31-6)采集由液面反射的波前与透过液面和待测光学玻璃(33)后再由花岗岩平板(32-2)的标准反射面反射的波前相干成像，这时检测的波相差标记为H2(x，y)：
H2(x，y)＝2A(x，y)+2tΔn(x，y)+2n0B(x，y) (2)；
③图像采集处理器(31-6)进行数据处理，由(2)式减去(1)式，得到待测光学玻璃(33)的均匀性图像
Δn(x，y)＝{H2(x，y)-H1(x，y)}/2t。
8、根据权利要求7所述的光学玻璃均匀性的测试方法，其特征在于所述的液槽内的折射率匹配液满足h1+h2＝h，
其中：
h为未放入待测光学玻璃(33)时，折射率匹配液(32-5)液面与花岗岩平板(32-2)上表面的距离，
放入待测光学玻璃(33)后，h1为待测光学玻璃(33)的底面和花岗岩平板(32-2)的标准反射面之间距，h2为待测光学玻璃(33)顶面与折射率匹配液(32-5)液面之间距。
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