CN102175433B - 基于干涉原理的透镜中心误差测量系统 - Google Patents

Abstract

一种基于干涉原理的透镜中心误差测量系统，包括：激光器、准直镜、起偏器、分光棱镜、分光镜、第一λ/4波片、参考反射镜、上可调反射镜、下可调反射镜、下固定反射镜、上固定反射镜、第二λ/4波片、检偏器、成像镜头、CCD相机、计算机及精密回转工作台。本发明能够同时对球面和轴对称非球面透镜前后表面中心误差进行测量，测量效率高，且操作简单，不会降低干涉条纹的对比度。

Description

基于干涉原理的透镜中心误差测量系统

技术领域

本发明涉及一种基于干涉原理的透镜中心误差测量系统，用于对球面和轴对称非球面透镜前后表面中心误差进行测量，属于光学测量技术领域。

技术背景

光学系统各分立元件的对心质量直接关系到整个系统的最终成像质量，它是高质量光学成像系统需解决的主要问题之一。

目前的光学中心误差的测量手段仍以光学测量为主。主要有准直测量与干涉比较测量两大类测量方法。干涉比较测量法基于干涉原理，利用被测透镜表面所反射的测量光束与参考光束产生干涉，通过观察与记录干涉条纹的变化情况得到中心误差与干涉条纹移动数目的关系，从而来测量透镜的中心误差。较之于准直测量方法，干涉比较测量方法具有快捷、高精度等优点。

长春光学精密机械与物理研究所设计的总装调对心干涉仪即是基于干涉原理来测量球面与轴对称非球面透镜表面的中心误差，该仪器的测量原理如图1所示。光源(激光器)发出的光经调焦准直镜、偏振片、反射镜及半五棱镜，入射到偏振分束棱镜上，在偏振分束棱镜的分束面上，一部分光透射另一部分光反射，从而形成两束光，这两束光在经过半五棱镜及λ/4波片后入射到反射镜M₁和M₂上，调整反射镜使光线垂直入射到被检镜的表面，光束按原路返回。光束两次通过λ/4波片，偏振方向改变90°，反射回来的两束光经偏振分束棱镜后又合为一束光，经检偏器发生干涉，用CCD摄像机接收这一干涉条纹，在监视器上观察干涉条纹的变化。测量时，被检镜放在精密转台上，干涉仪放在转台上方的龙门架上。如果被检镜光轴与精密转台的转轴不重合，则在转台转动时，在被检镜的两光点处会有相对位移，在监视器上可观察到条纹发生移动，记录下条纹的移动数目，计算出两光点处的相对位移量，进而可知被检镜的偏心量。

该仪器存在以下不足：在一次装夹过程中，只能对透镜单个表面的中心误差进行测量，测量效率不高；在单个被测表面中心误差测量过程中，需要两次调整两个反射镜以使得测量光束与被测表面垂直，操作繁琐；在测量过程中，还需要知道两测量光束与透镜表面交点之间的距离，而该距离值的测量不够直观而且精确度也不高；该仪器主要用大口径(φ200mm～φ500mm)透镜中心误差的测量；同时，在该系统中由于测量光束要经过多次的折反射，将会降低干涉条纹的对比度。

发明内容

本发明的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种基于干涉原理的透镜中心误差测量系统，能够同时对球面和轴对称非球面透镜前后表面中心误差进行测量，测量效率高，且操作简单，不会降低干涉条纹的对比度。

本发明解决上述技术问题的方案是：一种基于干涉原理的透镜中心误差测量系统，其特征在于包括：激光器1、准直镜2、起偏器3、分光棱镜4、分光镜5、第一λ/4波片6、参考反射镜7、上可调反射镜8、下可调反射镜9、下固定反射镜10、上固定反射镜11、第二λ/4波片12、检偏器13、成像镜头14、CCD相机15、计算机16、精密回转工作台17及被测透镜18；激光器1发出的激光束经准直镜2扩束后，由起偏器3将出射激光束转变为线偏振光，分光棱镜4将入射的平面偏振光分成两束平行光束；上述两束平行光束经分光镜5被分为参考光束与测量光束，前述参考光束经第一λ/4波片6后入射到参考反射镜7上，被参考反射镜反射，参考光束两次通过第一λ/4波片6后偏振方向改变90°；所述测量光束经第二λ/4波片12后，通过上固定反射镜11水平入射到上可调反射镜8上，然后调整上可调反射镜8使得上测量光束垂直入射到被测透镜18的上表面并沿原路返回，上测量光束两次通过第二λ/4波片12后偏振方向改变90°，并与所述参考光束汇合并发生干涉；下测量光束经第二λ/4波片12后，通过下固定反射镜10水平入射到下可调反射镜9上，然后调整下可调反射镜9使得下测量光束垂直入射到被测透镜的下表面并沿原路返回，下测量光束两次通过第二λ/4波片12后偏振方向改变90°，并与所述参考光束汇合并发生干涉，前述两组干涉光束经检偏器13后分别得到两组干涉条纹；经过成像镜头14成像后，干涉条纹被CCD相机15接收，然后转动精密回转工作台17，通过观察计算机16显示和记录CCD相机15接收的干涉条纹的变化，并且计算机16计算得出透镜前后表面中心误差的测量结果。

本发明的原理：将激光器发出的激光束分为参考光束和测量光束，通过调整可调反射镜使得测量光束垂直入射到被测透镜表面而被原路返回并与参考光束发生干涉，当被测透镜表面存在中心误差时，在透镜绕精密转台轴线回转的过程中，会引起参考光束与测量光束之间光程差的变化从而引起干涉条纹的移动，通过观察与记录干涉条纹移动的方向与数目的变化，再经过数学计算即可得到光程差、被测透镜表面中心误差与干涉条纹移动数目三者之间的关系。

本发明的中心误差计算方法：如图3所示，α表示垂直入射到被测透镜表面的测量光束与水平面的夹角，θ表示测量光束与水平面的夹角，L表示被测点到精密回转工作台轴线的距离，R表示被测透镜表面的曲率半径，H表示在精密转台回转过程中，被测点高度的变化，Δ表示在精密回转工作台17回转一周的过程中，被测透镜表面的中心沿精密回转工作台17径向的最大位移量。由图中关系可得：α＝π-2θ，在ΔO₁O₂A中利用余弦定理有：

(R+H)²＝R²+Δ²-2RΔcos(π-α)＝R²+Δ²-2RΔcos2θ

由于Δ为极小量，故略去Δ²项，可解得：

因为2R＞＞H，故可略去H²项，从而有：

又由光程差与条纹移动数目的关系可得：2H＝Kλ，式中K表示透镜在回转过程中干涉条纹移动的数目，λ表示所采用的激光器的工作波长，代入上式可得：

$\mathrm{\Δ}=-\frac{\mathrm{K\λ}}{2\cos 2\mathrm{\θ}}$

所以透镜的中心误差C为：

$C=\frac{\left|\mathrm{\Δ}\right|}{2}=\frac{\mathrm{K\λ}}{4\left|\cos 2\mathrm{\θ}\right|}---\left(1\right)$

从上式可知，透镜的中心误差与被测量点到工作台回转中心的距离和被测球面的曲率半径无关。

根据所计算出的透镜中心误差量C可计算得透镜中心误差的角偏量Y为：

$\mathrm{\γ}\frac{C}{R}=\frac{\mathrm{K\λ}}{4R\left|\cos 2\mathrm{\θ}\right|}---\left(2\right)$

本发明与现有的技术相比有以下优点：

(1)在透镜单个表面的中心误差测量过程中，只需调整一个反射镜，从而使测量操作得到简化。

(2)可以通过选择测量光束，来选择被测球面。

(3)可以对透镜前后表面中心误差的同时测量，从而提高了测量的效率。

(4)用测量光束反射镜的转角取代对被测量点到工作台回转轴线的距离的测量，与后者相比较更容易对转角进行精确的测量。

(5)通过准直镜对激光束的直径和对上下可调反射镜角度的调整可以适应小口径光学元件中心误差的测量，从而扩大了测量范围。

(6)测量光束在光学系统中折反射的次数少，有利于减少光能的损失、高干涉条纹的对比度。

(7)各光学元件之间的相对位置精度要求不高，从而有利于降低仪器的设计要求与为制造及装调带来方便。

说明书附图

图1为现有技术的光学原理图；

图2为本发明的光学系统原理图；

图3为本发明中心误差计算原理图；

图4为本发明测量过程示意图；

图5为本发明干涉条纹移动方向和数目与精密回转工作台转角之间关系的示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明测量系统包括激光器1、准直镜2、起偏器3、分光棱镜4、分光镜5、第一λ/4波片6、参考反射镜7、上可调反射镜8、下可调反射镜9、下固定反射镜10、上固定反射镜11、第二λ/4波片12、检偏器13、成像镜头14、CCD相机15、计算机16及精密回转工作台17。

激光器1发出的激光束经准直镜2扩束后，经起偏器3产生与水平面成45°的平面偏振光并分光棱镜4上，分光棱镜4将入射激光分成两束平行光；上述两束平行光经分光镜5分为参考光束与测量光束，参考光束经第一λ/4波片6入射到参考反射镜7上，并被参考反射镜7反射。上测量光束经第二λ/4波片12、上固定反射镜11和上可调反射镜8垂直入射到被测透镜18的上表面并沿原路返回，与参考光束汇合并发生干涉；下测量光束经第二λ/4波片12、下固定反射镜10和下可调反射镜9垂直入射到被测透镜18的下表面并沿原路返回，与参考光束汇合并发生干涉，经检偏器13和成像镜头14成像后干涉条纹被CCD相机15接收，然后转动精密回转工作台17，通过观察计算机16显示和记录的干涉条纹的变化，并且利用相应的软件进行计算得出透镜前后表面中心误差的测量结果。

本发明的测量过程如下：

(1)根据被测透镜18的直径，通过准直镜2调整激光束的直径。

(2)调整上、下可调反射镜以使得测量光束垂直入射到待测透镜表面。

(3)转动精密回转工作台17，观察计算机16显示和记录的干涉条纹的变化。若干涉条纹无明显的移动，则说明被测透镜18表面曲率中心已经和精密回转工作台17回转中心重合。若干涉条纹随精密回转工作台17回转中心回转角度变化而变化，则说明被测透镜18表面曲率中心没有和精密回转工作台回转中心重合，即存在中心误差。如图4所示，A点为测量点，O为精密回转工作台17的回转中心，O′为被测透镜表面的曲率中心。当精密回转工作台17绕O点回转时，O′点会先后两次通过直线AO，并分别交于点O′₁、O′₂，该两点分别对应最大与最小光程差，从而也与图5曲线上的两个极值点对应。根据在精密回转工作台17回转过程中，干涉条纹数目的最大变化量ΔK_max，并且利用前述的公式(1)、(2)计算得出透镜前后表面中心误差和透镜中心误差的角偏量的测量结果。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (1)

1.一种基于干涉原理的透镜中心误差测量系统，其特征在于包括：激光器（1）、准直镜（2）、起偏器（3）、分光棱镜（4）、分光镜（5）、第一λ/4波片（6）、参考反射镜（7）、上可调反射镜（8）、下可调反射镜（9）、下固定反射镜（10）、上固定反射镜（11）、第二λ/4波片（12）、检偏器（13）、成像镜头（14）、CCD相机（15）、计算机（16）、精密回转工作台（17）及被测透镜（18）；激光器（1）发出的激光束经准直镜（2）扩束后，由起偏器（3）将出射激光束转变为平面偏振光，分光棱镜（4）将入射的平面偏振光分成两束平行光束；上述两束平行光束经分光镜（5）被分为参考光束与测量光束，前述参考光束经第一λ/4波片（6）后入射到参考反射镜（7）上，被参考反射镜反射，参考光束两次通过第一λ/4波片（6）后偏振方向改变90°；所述测量光束经第二λ/4波片（12）后，通过上固定反射镜（11）水平入射到上可调反射镜（8）上，然后调整上可调反射镜（8）使得上测量光束垂直入射到被测透镜（18）的上表面并沿原路返回，上测量光束两次通过第二λ/4波片（12）后偏振方向改变90°，并与所述参考光束汇合并发生干涉；下测量光束经第二λ/4波片（12）后，通过下固定反射镜（10）水平入射到下可调反射镜（9）上，然后调整下可调反射镜（9）使得下测量光束垂直入射到被测透镜的下表面并沿原路返回，下测量光束两次通过第二λ/4波片（12）后偏振方向改变90°，并与所述参考光束汇合并发生干涉，前述两组干涉光束经检偏器（13）后分别得到两组干涉条纹；经过成像镜头（14）成像后，干涉条纹被CCD相机（15）接收，然后转动精密回转工作台（17），通过观察计算机（16）显示和记录CCD相机（15）接收的干涉条纹的变化，并且计算机（16）计算得出被测透镜前后表面中心误差的测量结果。

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