CN102798353A - 轴锥镜透射波面的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种轴锥镜透射波面的测量方法，包括①制备凹面锥形反射镜、②安装测试装置、③调整光路和④测量四个步骤，该方法具有装置简单、对轴锥镜的锥角没有限制和易于测量等优点。

Description

轴锥镜透射波面的测量方法

技术领域

本发明涉及光学检测领域，特别是一种轴锥镜透射波面的测量方法。

技术背景

轴锥镜作为一个旋转对称角锥形光学元件，它可以为光学系统提供一个长焦深，由于这一优点它在许多领域被广泛使用，诸如成像光学系统、光学测试、激光加工、激光束整形、激光谐振腔、非衍射光束的产生等方面，且在光刻照明中利用轴锥镜可以实现环形照明模式。这就对锥形面的制作精度提出了严格的要求，锥形面的制作需要精确的测量方法。

在先技术[1](Sanjib Chatterjee and Y.Pavan Kumar.“Measurement of the surfaceprofile of an axicon lens with a polarization phase-shifting shearing interferometer”,Appl.Opt.50(32):6057-6062(2011).)利用基于偏振相移径向干涉技术的泰曼格林干涉仪检测轴锥镜面形。用偏振分束镜把轴锥镜的入射波面分成透射波面和反射波面两部分，然后对这两部分进行分束和合束，使不同光程差的两路径的光束沿着径向方向进行线性剪切干涉，利用获得的光程差图形得到轴锥镜的面形信息。在此方法中，需要对透射波面和反射波面这两部分光束进行调整，使它们在合束以后产生剪切干涉，但该方法对大角度轴锥镜的测量是无效的。

在先技术[2](David Kupka,Philip Schlup,and Randy A.Bartels,“Self-referencedinterferometry for the characterization of axicon lens quality”,Appl.Opt.47(9):1200-1205(2008).)用于轴锥镜特性测量的一个简单的干涉仪。通过被测轴锥镜的光波与共线的参考光波发生干涉，利用产生的柱形对称自参考干涉图案获得被测轴锥镜面形的畸变。此方法需要利用反射镜的倾斜来调整分束镜得到的两路光，使它们发生干涉，同时该方法只能测大锥角轴锥镜的面形。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种测量轴锥镜透射波面的方法。该方法应具有装置简单、对轴锥镜的锥角没有限制和易于测量等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种轴锥镜透射波面的测量方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：

①制备凹面锥形反射镜：根据待测轴锥镜制作与之匹配的凹面锥形反射镜：该凹面锥形反射镜的锥角

式中 $\mathrm{\β}=\arcsin \left\{n\sin \right[\mathrm{\θ}-\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{n}\right)\left]\right\}$ 表示待测轴锥镜对光束的折射角，其中n，θ分别为待测轴锥镜的折射率和锥角；凹面锥形反射镜的半径R1≥Rcosβ，其中R表示透过待测轴锥镜的光束的半径；

②安装测试装置：在移相干涉仪输出的平行光束方向依次置入平面标准镜、待测轴锥镜和凹面锥形反射镜，所述的待测轴锥镜的锥面朝向移相干涉仪的出光方向，所述的凹面锥形反射镜的凹面朝向移相干涉仪的出光方向；

③调整光路：调整所述的平面标准镜的平行平面与所述的平行光束垂直；调整所述的待测轴锥镜的平面与测量光束垂直，同时保证待测轴锥镜的中轴与移相干涉仪出射光束的中轴重合；调整所述的凹面锥形反射镜，使所述的凹面锥形反射镜的中轴与待测轴锥镜的中轴重合；

④测量：所述的移相干涉仪出射的光束经所述的平面标准镜形成平行的测量光束，经所述的平面标准镜返回的光束称为参考光束；所述的测量光束透过所述的待测轴锥镜经所述的凹面锥形反射镜反射沿原路返回，该原路返回的测量光束与平面标准镜返回的参考光束产生干涉条纹；调整待测轴锥镜和凹面锥形反射镜之间的距离获得清晰的干涉条纹，利用所述的移相干涉仪检测所述的干涉条纹，得到待测轴锥镜的透射波面。

所述的待测轴锥镜为凸面轴锥镜或凹面轴锥镜。

与在先技术相比，本发明的技术效果如下：

1.可以实现对任意角度轴锥镜透射波面的测量；

2.本发明方法具有装置简单、对轴锥镜的锥角没有限制和易于测量等优点。

附图说明

图1为本发明轴锥镜面形检测方法的原理图

图2是本发明轴锥镜面形检测方法实施例1的结构图

图3是本发明轴锥镜面形检测方法实施例2的结构图

具体实施方式

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。

先请参阅图1，图1是本发明所述轴锥镜透射波面检测方法的原理图。由图可见，本发明测量轴锥镜透射波面的方法包括以下步骤：

①制备凹面锥形反射镜：根据待测轴锥镜3制作与之匹配的凹面锥形反射镜4：该凹面锥形反射镜4的锥角

式中 $\mathrm{\β}=\arcsin \left\{n\sin \right[\mathrm{\θ}-\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{n}\right)\left]\right\}$ 表示待测轴锥镜3对光束的折射角，其中n，θ分别为待测轴锥镜3的折射率和锥角；凹面锥形反射镜4的半径R1≥Rcosβ，其中R表示透过待测轴锥镜3的光束的半径；

②安装测试装置：在移相干涉仪1输出的平行光束方向依次置入平面标准镜2、待测轴锥镜3和凹面锥形反射镜4，所述的待测轴锥镜3的锥面朝向移相干涉仪1的出光方向，所述的凹面锥形反射镜4的凹面朝向移相干涉仪1的出光方向；

③调整光路：调整所述的平面标准镜2的平行平面与所述的平行光束垂直；调整所述的待测轴锥镜3的平面与测量光束垂直，同时保证待测轴锥镜3的中轴与移相干涉仪1出射光束的中轴重合；调整所述的凹面锥形反射镜4，使所述的凹面锥形反射镜4的中轴与待测轴锥镜3的中轴重合；

④测量：所述的移相干涉仪1出射的光束经所述的平面标准镜2形成平行的测量光束，经所述的平面标准镜2返回的光束称为参考光束；所述的测量光束透过所述的待测轴锥镜3经所述的凹面锥形反射镜4反射沿原路返回，该原路返回的测量光束与平面标准镜2返回的参考光束产生干涉条纹；调整待测轴锥镜3和凹面锥形反射镜4之间的距离获得清晰的干涉条纹，利用所述的移相干涉仪1检测所述的干涉条纹，得到待测轴锥镜3的透射波面。

实施例1

请参阅图2，图2是本发明轴锥镜面形检测方法实施例1的结构图，待测轴锥镜3是凸面轴锥镜，其具体步骤如下：

①根据待测轴锥镜3制作与之匹配的凹面锥形反射镜4：该凹面锥形反射镜4的锥角

式中 $\mathrm{\β}=\arcsin \left\{n\sin \right[\mathrm{\θ}-\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{n}\right)\left]\right\}$ 表示待测轴锥镜3对光束的折射角，其中n，θ分别为待测轴锥镜3的折射率和锥角；凹面锥形反射镜4的半径R1≥Rcosβ，其中R表示透过待测轴锥镜3的光束的半径；

②在移相干涉仪1输出的平行光束方向依次置入平面标准镜2、待测轴锥镜3和凹面锥形反射镜4，所述的待测轴锥镜3的锥面朝向移相干涉仪1的出光方向，所述的凹面锥形反射镜4的凹面朝向移相干涉仪1的出光方向；

③调整光路：调整所述的平面标准镜2的平行平面与所述的平行光束垂直；调整所述的待测轴锥镜3的平面与测量光束垂直，同时保证待测轴锥镜3的中轴与移相干涉仪1出射光束的中轴重合；调整所述的凹面锥形反射镜4，使所述的凹面锥形反射镜4的中轴与待测轴锥镜3的中轴重合；

④所述的移相干涉仪）出射的光束经所述的平面标准镜2形成平行的测量光束，经所述的平面标准镜2返回的光束称为参考光束；所述的测量光束透过所述的待测轴锥镜3经所述的凹面锥形反射镜4反射沿原路返回，该原路返回的测量光束与平面标准镜2返回的参考光束产生干涉条纹；调整待测轴锥镜3和凹面锥形反射镜4之间的距离获得清晰的干涉条纹，利用所述的移相干涉仪1检测所述的干涉条纹，得到待测轴锥镜3的透射波面。

所述待测轴锥镜3的折射率和锥角分别为n、θ，光束经待测轴锥镜3后的折射角β表示为：

$\mathrm{\β}=\arcsin \left\{n\sin \right[\mathrm{\θ}-\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{n}\right)\left]\right\}---\left(1\right)$

所述凹面锥形反射镜4的锥角为：

所述凹面锥形反射镜4的半径R1满足以下条件，

R1≥Rcosβ    (3)

其中，R表示透过待测轴锥镜3的光束的半径。

所述待测轴锥镜3和所述凹面锥形反射镜4之间的距离L满足以下关系式时，便可以实现对待测轴锥镜3透射波面的测量，

$L>R\cot \left(\mathrm{\β}\right)$

$=R\cot \left(\arcsin \right\{n\sin [\mathrm{\θ}-\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{n}\right)]\left\}\right)---\left(4\right)$

实施例2

请参阅图3，图3是本发明轴锥镜面形检测方法实施例2的结构图，待测轴锥镜3是凹面轴锥镜，其具体检测步骤如下：

①根据待测轴锥镜3制作与之匹配的凹面锥形反射镜4：该凹面锥形反射镜4的锥角

式中 $\mathrm{\β}=\arcsin \left\{n\sin \right[\mathrm{\θ}-\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{n}\right)\left]\right\}$ 表示待测轴锥镜3对光束的折射角，其中n，θ分别为待测轴锥镜3的折射率和锥角；凹面锥形反射镜4的半径R1≥Rcosβ，其中R表示透过待测轴锥镜3的光束的半径；

②在移相干涉仪1输出的平行光束方向依次置入平面标准镜2、待测轴锥镜3和凹面锥形反射镜4，所述的待测轴锥镜3的凹锥面朝向移相干涉仪1的出光方向，所述的凹面锥形反射镜4的凹面朝向移相干涉仪1的出光方向；

③调整光路：调整所述的平面标准镜2的平行平面与所述的平行光束垂直；调整所述的待测轴锥镜3的平面与测量光束垂直，同时保证待测轴锥镜3的中轴与移相干涉仪1出射光束的中轴重合；调整所述的凹面锥形反射镜4，使所述的凹面锥形反射镜4的中轴与待测轴锥镜3的中轴重合；

④所述的移相干涉仪1出射的光束经所述的平面标准镜2形成平行的测量光束，经所述的平面标准镜2返回的光束称为参考光束；所述的测量光束透过所述的待测轴锥镜3经所述的凹面锥形反射镜4反射沿原路返回，该原路返回的测量光束与平面标准镜2返回的参考光束产生干涉条纹；调整待测轴锥镜3和凹面锥形反射镜4之间的距离获得清晰的干涉条纹，利用所述的移相干涉仪1检测所述的干涉条纹，得到待测轴锥镜3的透射波面。

所述的凹面锥形反射镜4的锥角和半径仍然满足实施例1中的要求。

调整所述的待测轴锥镜3和凹面锥形反射镜4之间的距离L直到所述的移相干涉仪1获得清晰的干涉条纹，从而得到待测轴锥镜3的透射波面。

Claims (2)

1.一种轴锥镜透射波面的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

①制备凹面锥形反射镜：根据待测轴锥镜制作与之匹配的凹面锥形反射镜（4）：该凹面锥形反射镜（4）的锥角式中 $\mathrm{\β}=\arcsin \left\{n\sin \right[\mathrm{\θ}-\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{n}\right)\left]\right\}$ 表示待测轴锥镜（3）对光束的折射角，其中n，θ分别为待测轴锥镜（3）的折射率和锥角；凹面锥形反射镜（4）的半径R1≥Rcosβ，其中R表示透过待测轴锥镜（3）的光束的半径；

②安装测试装置：在移相干涉仪（1）输出的平行光束方向依次置入平面标准镜（2）、待测轴锥镜（3）和凹面锥形反射镜（4），所述的待测轴锥镜（3）的锥面朝向移相干涉仪（1）的出光方向，所述的凹面锥形反射镜（4）的凹面朝向移相干涉仪（1）的出光方向；

③调整光路：调整所述的平面标准镜（2）的平行平面与所述的平行光束垂直；调整所述的待测轴锥镜（3）的平面与测量光束垂直，同时保证待测轴锥镜（3）的中轴与移相干涉仪（1）出射光束的中轴重合；调整所述的凹面锥形反射镜（4），使所述的凹面锥形反射镜（4）的中轴与待测轴锥镜（3）的中轴重合；

④测量：所述的移相干涉仪（1）出射的光束经所述的平面标准镜（2）形成平行的测量光束，经所述的平面标准镜（2）返回的光束称为参考光束；所述的测量光束透过所述的待测轴锥镜（3）经所述的凹面锥形反射镜（4）反射沿原路返回，该原路返回的测量光束与平面标准镜（2）返回的参考光束产生干涉条纹；调整待测轴锥镜（3）和凹面锥形反射镜（4）之间的距离获得清晰的干涉条纹，利用所述的移相干涉仪（1）检测所述的干涉条纹，得到待测轴锥镜（3）的透射波面。

2.根据权利要求1所述的轴锥镜透射波面的测量方法，其特征在于，所述的待测轴锥镜为凸面轴锥镜或凹面轴锥镜。

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