CN103278105B

CN103278105B - 轴锥镜面形和锥角的检测方法

Info

Publication number: CN103278105B
Application number: CN201310180723.XA
Authority: CN
Inventors: 袁乔; 曾爱军; 张善华; 黄惠杰
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: CN103278105A

Abstract

一种轴锥镜面形和锥角的检测方法，包括以下步骤：在短相干光源干涉仪输出的平行光束方向依次置入平面标准镜、待测轴锥镜和标准平面反射镜，所述的待测轴锥镜的平面朝向短相干光源干涉仪的出光方向；调整光路；调整所述的待测轴锥镜和所述的标准平面反射镜之间的距离，利用短相干光源干涉仪检测干涉条纹，求解待测轴锥镜的锥角和面形信息。本发明具有操作简单，易于实现对任意角度的轴锥镜的面形和锥角的测量等优点。

Description

轴锥镜面形和锥角的检测方法

技术领域

本发明涉及光学检测领域，特别是一种轴锥镜面形和锥角的检测方法。

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，由于这一优点使得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。这就对轴锥镜的制作精度提出了严格的要求，轴锥镜的制作需要精确的测量方法。

在先技术[1](DavidKupka,PhilipSchlup,andRandyA.Bartels,“Self-referencedinterferometryforthecharacterizationofaxiconlensquality”,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旋转来调整参考光束相对于测量光束的倾斜，使它们发生干涉，从中解出轴锥镜的面形信息，同时该方法只能测大锥角轴锥镜的面形。

在先技术[2](JunMa,ChristofPruss,Matthias,etal.“Axiconmetrologyusinghighlinedensitycomputer-generatedHolograms”,Proc.SPIE.8082,1-11(2011).)借助于干涉仪的零位测试，利用一个零位光学元件——计算全息图对轴锥镜的锥角和面形误差给出高精度的系统评估。此方法首先需要对干涉仪进行校准，其次需要把待测轴锥镜进行轴向移动以及圆周旋转。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种轴锥镜面形和锥角的检测方法。该方法操作简单，易于实现任意角度的轴锥镜的面形和锥角的测量。

本发明的技术解决方案：

一种轴锥镜面形和锥角的检测方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：

①在短相干光源干涉仪输出的平行光束方向依次置入平面标准镜、待测轴锥镜和标准平面反射镜，所述的待测轴锥镜的平面朝向短相干光源干涉仪的出光方向；

②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所述的平行光束垂直，同时保证所述的待测轴锥镜的中轴与所述的短相干光源干涉仪出射光束的中轴重合；调整所述的标准平面反射镜，使所述的标准平面反射镜的平行平面与所述的平行光束垂直；

③所述的短相干光源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，然后经所述的标准平面反射镜反射，调节所述的短相干光源干涉仪的相干长度，使得由标准平面反射镜反射回去的测量光束与由所述的平面标准镜返回的参考光束发生干涉，而不引入所述的待测轴锥镜的平面对干涉条纹的影响；

④调整所述的待测轴锥镜和所述的标准平面反射镜之间的距离，调整所述的待测轴锥镜与所述的标准平面反射镜之间的距离L应满足以下公式，

L < \frac{2 Φ \sqrt{1 - n^{2} \sin^{2} θ}}{\sin 2 θ (n \cos θ - \sqrt{1 - n^{2} \sin^{2} θ})} + b

其中，Φ为入射到所述的待测轴锥镜上的光束的半口径，b表示所述的待测轴锥镜的中心厚度，通过两次获得的干涉条纹的半径按下列公式计算所述的待测轴锥镜的锥角θ：

\frac{r_{2} - r_{1}}{L_{2} - L_{1}} = \sin 2 θ (\frac{n \cos θ}{\sqrt{1 - n^{2} \sin^{2} θ}} - 1)

其中，n表示所述的待测轴锥镜的折射率；L₁和L₂分别表示两次调整的所述的待测轴锥镜与所述的标准平面反射镜之间的距离；r₁和r₂分别表示所述的测量光束透过所述的待测轴锥镜，然后经所述的标准平面反射镜反射后得到的光束的半口径，利用所述的短相干光源干涉仪解出所述的待测轴锥镜的面形信息。

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的轴锥镜的面形和锥角的检测；

2.此方法操作简单，易于实现检测。

附图说明

图1为本发明所述轴锥镜面形和锥角的检测装置实施实例的原理图

图2为本发明所述轴锥镜锥角的检测装置光路图

图3为本发明所述轴锥镜锥角的检测装置结构图

具体实施方式

下面结合附图和实施实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面形和锥角检测装置实施实例的原理图。由图可见，本发明轴锥镜面形和锥角的检测方法包括如下步骤：

①在短相干光源干涉仪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和标准平面反射镜4，所述的待测轴锥镜3的平面朝向短相干光源干涉仪1的出光方向；

②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的平面与所述的平行光束垂直，同时保证所述的待测轴锥镜3的中轴与所述的短相干光源干涉仪1出射光束的中轴重合；调整所述的标准平面反射镜4，使所述的标准平面反射镜4的平行平面与所述的平行光束垂直；

③所述的短相干光源干涉仪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，然后经所述的标准平面反射镜4反射，调节所述的短相干光源干涉仪1的相干长度，使得由标准平面反射镜4反射回去的测量光束与由所述的平面标准镜2返回的参考光束发生干涉，而不引入所述的待测轴锥镜3的平面对干涉条纹的影响；

④调整所述的待测轴锥镜3和所述的标准平面反射镜4之间的距离，便可以解出待测轴锥镜3的锥角和面形信息。

调整所述的待测轴锥镜和所述的标准平面反射镜之间的距离，便可以通过两次获得的干涉条纹的半径得到所述的待测轴锥镜的锥角θ：

\frac{r_{2} - r_{1}}{L_{2} - L_{1}} = \sin 2 θ (\frac{n \cos θ}{\sqrt{1 - n^{2} \sin^{2} θ}} - 1)

其中，n表示待测轴锥镜3的折射率；L₁和L₂分别表示两次调整的所述的待测轴锥镜3与所述的标准平面反射镜4之间的距离；r₁和r₂分别表示所述的测量光束透过所述的待测轴锥镜3，然后经所述的标准平面反射镜4反射后得到的光束的半口径。

调整所述的待测轴锥镜3与所述的标准平面反射镜4之间的距离L应满足以下公式，

L < \frac{2 Φ \sqrt{1 - n^{2} \sin^{2} θ}}{\sin 2 θ (n \cos θ - \sqrt{1 - n^{2} \sin^{2} θ})} + b

其中，Φ为入射到所述的待测轴锥镜3上的光束的半口径，b表示所述的待测轴锥镜3的中心厚度。

利用所述的短相干光源干涉仪1解出所述的待测轴锥镜3的面形信息。

下面是一个实施例

图2为本发明轴锥镜面形和锥角的检测装置的光路图，由图可见，测量轴锥镜面形和锥角的步骤如下：

①在短相干光源干涉仪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和标准平面反射镜4，所述的待测轴锥镜3的平面朝向短相干光源干涉仪1的出光方向；

图3为本发明检测轴锥镜锥角的实施例的结构示意图。如图所示，经待测轴锥镜3后的光线的折射角以及光线与光轴的夹角β分别表示为：

其中，n，θ分别表示所述的待测轴锥镜3的折射率以及锥角。

在三角形ACF中，根据正弦定理可得以下公式：

其中，FC=L₁-b+OC，L₁表示所述的待测轴锥镜3和所述的标准平面反射镜4之间的距离，b表示所述的待测轴锥镜3的中心厚度，Φ为入射到所述的待测轴锥镜3上的光束的半口径。

根据以上式子可以得到：

同理在三角形DEF中，可得：

\frac{EF}{\sin &angle; FDE} = \frac{FD}{\sin &angle; DEF} - - - (5)

其中，FD=L₁-b-OC，r₁表示所述的测量光束透过所述的待测轴锥镜3，然后经所述的标准平面反射镜4反射后的光束的半口径，

这样便可以得到：

根据积化和差公式化简得到：

r_{1} = (L_{1} - b) \sin 2 θ [\frac{n \cos θ}{\sqrt{1 - n^{2} \sin^{2} θ}} - 1] - Φ - - - (7)

同样地，调整所述的待测轴锥镜3和所述的标准平面反射镜4之间的距离为L₂，所述的测量光束透过所述的待测轴锥镜3，然后经所述的标准平面反射镜4反射，反射后的光束的半口径r₂可表示为：

r_{2} = (L_{2} - b) \sin 2 θ [\frac{n \cos θ}{\sqrt{1 - n^{2} \sin^{2} θ}} - 1] - Φ - - - (8)

调整所述的待测轴锥镜3和所述的标准平面反射镜4之间的距离，便可以通过两次获得的干涉条纹的半径得到所述的待测轴锥镜3的锥角θ：

\frac{r_{2} - r_{1}}{L_{2} - L_{1}} = \sin 2 θ [\frac{n \cos θ}{\sqrt{1 - n^{2} \sin^{2} θ}} - 1] - - - (9)

所述的待测轴锥镜3与所述的标准平面反射镜4之间的距离L满足以下公式，

L < \frac{2 Φ \sqrt{1 - n^{2} \sin^{2} θ}}{\sin 2 θ (n \cos θ - \sqrt{1 - n^{2} \sin^{2} θ})} + b - - - (10)

时，利用所述的短相干光源干涉仪1检测得到的干涉条纹，便可以获得所述的待测轴锥镜3的面形信息。

Claims

1.一种轴锥镜面形和锥角的检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

③所述的短相干光源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，然后经所述的标准平面反射镜反射，调节所述的短相干光源干涉仪的相干长度，使得由标准平面反射镜反射回去的测量光束与由所述的平面标准镜返回的参考光束发生干涉；

L < \frac{2 Φ \sqrt{1 - n^{2} \sin^{2} θ}}{\sin 2 θ (n \cos θ - \sqrt{1 - n^{2} \sin^{2} θ})} + b

其中，Φ为入射到所述的待测轴锥镜上的光束的半口径，b表示所述的待测轴锥镜的中心厚度，通过两次获得的干涉条纹的半径按下式计算所述的待测轴锥镜的锥角θ：

\frac{r_{2} - r_{1}}{L_{2} - L_{1}} = \sin 2 θ (\frac{n \cos θ}{\sqrt{1 - n^{2} \sin^{2} θ}} - 1)

其中，n为所述的待测轴锥镜的折射率；L₁和L₂分别表示两次调整的所述的待测轴锥镜与所述的标准平面反射镜之间的距离；r₁和r₂分别表示所述的测量光束透过所述的待测轴锥镜，然后经所述的标准平面反射镜反射后得到的光束的半口径，利用所述的短相干光源干涉仪解出所述的待测轴锥镜的面形信息。