CN103335615A - 一种用于光学元件在光轴方向位置对准的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种用于光学元件在光轴方向位置对准的装置与方法，包括在干涉仪输出光束的光轴上依次放置标准镜头、计算全息图和被测光学元件，将计算全息图固定在小五维调整架上，将被测光学元件固定在大五维调整架上；将计算全息图放置在标准镜头的焦点后面的设计位置处，来自干涉仪内部的光束经过标准镜头后入射到计算全息图上，使发散球面波前变为会聚球面波前，在被测光学元件的光轴方向位置处形成一个会聚焦点；当会聚球面波前照射到被测光学元件上后，将沿着对称光路位置返回，从而使会聚球面波前与干涉仪中的参考波前形成干涉条纹，通过对干涉条纹的监控，调节大五维调整架，将被测光学元件的在光轴方向位置控制在波长量级。
Description
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，具体涉及的是一种被测光学元件在光轴方向位置的对准方法。
背景技术
在一些光学元件的检测中，例如Hindle球检验次镜，被测光学元件光轴方向的对准精度对检测结果的准确性有很大影响，所以采用适当的对准方法实现被测光学元件在光轴方向的精确对准在检测过程中显得尤为重要。采用干涉条纹对被测光学元件的空间位置进行监控，其对准精度能够达到波长量级。
Arizona的Rene Zehnder等人(Rene Zehnder，James H.Burge，ChunyuZhao.“Use of computer generated holograms for alignment of complex nullcorrectors”.Proc.of SPIE Vol.6273,2006：63732S-1～63732S-8)提出了一种利用十字丝的对准标记确定光学元件空间位置的方法，该方法利用衍射效应，指定位置生成十字丝的对准标记，用于光学元件的对准。这种对准方法已经广泛应用于光学元件的检测对准之中，但由于其光轴方向的景深问题，很难实现光轴方向的精确对准；另外，苏州大学的洪小苗等人(洪小苗，郭培基，“基于圆光栅莫尔条纹的CGH元件对准”，激光杂志，33(4)，2012：22-24)提出了一种基于圆光栅莫尔条纹的CGH元件对准方法。该方法基于圆光栅莫尔条纹法，采用两组光栅周期相近的圆光栅，利用其重叠产生莫尔条纹，通过莫尔条纹图来指导调节CGH元件的位置，实现其对准。但此方法仅仅能实现CGH元件自身的对准，不能实现被测光学元件的对准。
本方法借用球面检测中的“猫眼”位置确定方法，利用计算全息图人为的生成一个类似“猫眼”的焦点位置，采用干涉条纹图作为调整依据。此种方法能对被测光学元件的光轴方向的位置进行精确调整，实现波长量级的对准精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种被测光学元件在光轴方向位置的对准方法，该方法可以实现干涉仪与被测光学元件之间波长量级的对准。
为了达成所述目的，本发明一方面，提供一种用于光学元件在光轴方向位置对准的装置，所述装置包括干涉仪、标准镜头、计算全息图、小五维调整架、被测光学元件和大五维调整架，在干涉仪输出光束的光轴上依次放置标准镜头、计算全息图和被测光学元件，将计算全息图固定在小五维调整架上，将被测光学元件固定在大五维调整架上；将计算全息图放置在标准镜头的焦点后面的设计位置处，来自干涉仪内部的光束经过标准镜头后入射到计算全息图上，使发散球面波前变为会聚球面波前，在被测光学元件的光轴方向位置处形成一个会聚焦点；当会聚球面波前照射到被测光学元件上后，将沿着对称光路位置返回，从而使会聚球面波前与干涉仪中的参考波前形成干涉条纹，通过对干涉条纹的监控，调节大五维调整架，将被测光学元件的在光轴方向位置控制在波长量级，所述设计位置是在光学设计阶段，计算全息图所在位置。
为了达成所述目的，本发明另一方面，提供一种用于光学元件在光轴方向位置对准的方法，利用对准装置实现对准的步骤包括：
步骤S1：根据被测光学元件在光轴方向的位置要求，设计一块用于干涉仪与全息片对准的反射全息和用于形成会聚焦点的透射全息的计算全息图；
步骤S2：将计算全息图固定在小五维调整架上并将它们一起放置在标准镜头的焦点后面的位置，对干涉条纹进行监控，调节小五维调整架，将干涉条纹调至零条纹，即实现计算全息图与干涉仪的精确对准；
步骤S3：将被测光学元件固定在大五维调整架上并将它们一起放置在会聚焦点处，当会聚球面波前照射到被测光学元件上时，光波将按照对称光路位置反射，反射波前将与干涉仪中的参考波前形成干涉条纹，对干涉条纹进行监控，调节大五维调整架，将干涉条纹调至“猫眼”的条纹形状，即实现被测光学元件在光轴方向位置的达到波长量级对准精度；
步骤S4：当干涉仪与被测光学元件已经对准之后，将大五维调整架进行固定，然后移除计算全息图，这时再利用干涉仪对被测光学元件进行检测，且计算全息图不影响检测光路。
本发明与现有技术相比的优势在于：
1)本发明为被测光学元件在光轴方向的位置对准提供了一种新的方法；
2)本发明用干涉条纹监控对准精度，可以实现波长量级的对准；
该方法的对准原理与干涉仪中标准镜头的“猫眼”位置对准原理类似，但它通过计算全息图，可以有意识的改变“猫眼”的位置，从而实现对被测光学元件光轴方向位置的高精度对准。该方法设计巧妙，结构简单，为被测光学元件的空间位置的高精度对准提供了一种有效的方法，具有较大的工程应用价值。
附图说明
图1是本发明对准装置光路示意图。
图2是具有双重对准功能的计算全息图示意图。
图3是全息片处于对准位置的干涉条纹图。
图4是“猫眼”位置的干涉条纹图。
图5是扩展型对准方法示意图。
各图中附图标记说明：
1 为干涉仪， 2 为标准镜头，
3 为计算全息图， 4 为小五维调整架，
5 为被测光学元件， 6 为大五维调整架，
7 计算全息图的设计位置， 8 会聚焦点，
9 为用于形成会聚焦点的透射全息，
10 为用于干涉仪与全息片对准的反射全息；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
首先结合图1-图4来说明本发明用于光学元件在光轴方向位置对准的装置，所述装置包括：干涉仪1、标准镜头2、计算全息图3、小五维调整架4、被测光学元件5、大五维调整架6，在以干涉仪1输出的光束中心线的光轴上依次放置标准镜头2、计算全息图3和被测光学元件5，将计算全息图3固定在小五维调整架4上，将被测光学元件5固定在大五维调整架6上；将计算全息图3放置在标准镜头2的焦点后面的设计位置处，来自干涉仪1内部的光束经过标准镜头2后入射到计算全息图3上，使发散球面波前变为会聚球面波前，在被测光学元件5的光轴方向位置处形成一个会聚焦点；当会聚球面波前照射到被测光学元件5上后，将沿着对称光路位置返回，从而使会聚球面波前与干涉仪1中的参考波前形成干涉条纹，通过对干涉条纹的监控，调节大五维调整架6，将干涉条纹调节至图4所示的条纹形状，将干涉仪与被测光学元件5的在光轴方向位置控制在波长量级的对准，所述设计位置是在光学设计阶段，计算全息图所在位置。
用于光学元件在光轴方向位置对准的方法，是利用对准装置实现对准的步骤包括：
步骤S1：根据被测光学元件5在光轴方向的位置要求，设计一块相应的计算全息图3，该计算全息图包括用于干涉仪与全息片对准的反射全息10和用于形成会聚焦点的透射全息9的计算全息图3两个部分，如图2中示出的具有双重对准功能的计算全息图；
步骤S2：将计算全息图3固定在小五维调整架4上，将它们一起放置在标准镜头2的焦点后面的设计位置7，如图1所示，对干涉条纹进行监控，调节小五维调整架4，将干涉条纹调至零条纹，如图3所示，即实现计算全息图3与干涉仪1的精确对准；
步骤S3：将被测光学元件5固定在大五维调整架6上，将它们一起放置在会聚焦点8处，当会聚球面波前照射到被测光学元件5上时，光波将按照对称光路位置反射，如图1中箭头所示；反射波前将与干涉仪中的参考波前形成干涉条纹，通过监控干涉条纹，调节大五维调整架6，将干涉条纹调至“猫眼”的条纹形状，如图4所示，即可实现干涉仪与被测光学元件5在光轴方向位置的波长量级的对准精度；
步骤S4：当干涉仪1与被测光学元件5已经对准之后，将大五维调整架6进行固定，然后移除计算全息图3，这时可利用干涉仪1对被测光学元件5进行检测，且计算全息图3不会影响检测光路。
所述的标准镜头2为球面镜头，根据不同的被测光学元件5和计算全息图3，选择不同的F数；所述的被测光学元件5为平面镜、球面镜、非球面镜、凸面镜或者凹面镜，且被测光学元件5的几何中心切线方向与光轴方向垂直。如果被测光学元件5的面形精度达到波长量级，则对应计算全息图3的中间部分的透射全息是检测被测光学元件5部分口径面形的测试全息；此时反射波前将按原光路返回，与参考波前形成干涉条纹，此时将干涉条纹调节到零条纹，则亦能实现被测光学元件5的波长量级的对准。
用于光学元件在光轴方向位置对准的方法还能监控被测光学元件5的平移和倾斜，具有多维对准功能。
扩展型对准方法如图5示出，图1所示光路是对称光路，其光线到达被测光学元件5的顶点时，将沿着对称光路位置反射，如光路中箭头所示。此种对准方式仅能监控被测光学元件5的位置；图5所示光路为共光路，光线将垂直照射到被测光学元件5的表面，然后原路反射，如光路中箭头所示。此种对准方式通过对被测光学元件5的部分口径面形检测来监控其位置，而且还能监控器平移和倾斜，具有多维对准功能。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (9)
1.一种用于光学元件在光轴方向位置对准的装置，其特征在于：包括干涉仪、标准镜头、计算全息图、小五维调整架、被测光学元件和大五维调整架，在干涉仪输出光束的光轴上依次放置标准镜头、计算全息图和被测光学元件，将计算全息图固定在小五维调整架上，将被测光学元件固定在大五维调整架上；将计算全息图放置在标准镜头的焦点后面的设计位置处，来自干涉仪内部的光束经过标准镜头后入射到计算全息图上，使发散球面波前变为会聚球面波前，在被测光学元件的光轴方向位置处形成一个会聚焦点；当会聚球面波前照射到被测光学元件上后，将沿着对称光路位置返回，从而使会聚球面波前与干涉仪中的参考波前形成干涉条纹，通过对干涉条纹的监控，调节大五维调整架，将被测光学元件的在光轴方向位置控制在波长量级，所述设计位置是在光学设计阶段，计算全息图所在位置。
2.根据权利要求1所述的用于光学元件在光轴方向位置对准的装置，其特征在于：所述的标准镜头为球面镜头，根据不同的被测光学元件和计算全息图，选择不同的F数。
3.根据权利要求1所述的用于光学元件在光轴方向位置对准的装置，其特征在于：所述的被测光学元件为平面镜、球面镜、非球面镜、凸面镜或者凹面镜，且被测光学元件的几何中心切线方向与光轴方向垂直。
4.根据权利要求1所述的用于光学元件在光轴方向位置对准的装置，其特征在于：所述被测光学元件的面形精度达到波长量级，则对应计算全息图的中间部分的透射全息是检测被测光学元件的部分口径面形的测试全息；此时反射波前将按原光路返回，与参考波前形成干涉条纹，此时将干涉条纹调节到零条纹，则亦能实现被测光学元件的波长量级的对准，而且这种对准方式，不仅能实现光轴方向的对准，还能监控被测光学元件的平移和倾斜，具有多维对准功能。
5.一种用于光学元件在光轴方向位置对准的方法，其特征在于，利用对准装置实现对准的步骤包括：
步骤S1：根据被测光学元件在光轴方向的位置要求，设计一块用于干涉仪与全息片对准的反射全息和用于形成会聚焦点的透射全息的计算全息图；
步骤S2：将计算全息图固定在小五维调整架上并将它们一起放置在标准镜头的焦点后面的位置，对干涉条纹进行监控，调节小五维调整架，将干涉条纹调至零条纹，实现计算全息图与干涉仪的精确对准；
步骤S3：将被测光学元件固定在大五维调整架上并将它们一起放置在会聚焦点处，当会聚球面波前照射到被测光学元件上时，光波将按照对称光路位置反射，反射波前将与干涉仪中的参考波前形成干涉条纹，对干涉条纹进行监控，调节大五维调整架，将干涉条纹调至“猫眼”的条纹形状，即实现被测光学元件在光轴方向位置的达到波长量级对准精度；
步骤S4：当干涉仪与被测光学元件已经对准之后，将大五维调整架进行固定，然后移除计算全息图，这时再利用干涉仪对被测光学元件进行检测，且计算全息图不影响检测光路。
6.根据权利要求5所述的用于光学元件在光轴方向位置对准的方法，其特征在于：所述的标准镜头为球面镜头，根据不同的被测光学元件和计算全息图，选择不同的F数。
7.根据权利要求5所述的用于光学元件在光轴方向位置对准的方法，其特征在于：所述的被测光学元件为平面镜、球面镜、非球面镜、凸面镜或者凹面镜，且被测光学元件的几何中心切线方向与光轴方向垂直。
8.根据权利要求5所述的用于光学元件在光轴方向位置对准的方法，其特征在于：如果被测光学元件的面形精度达到波长量级，则对应计算全息图的中间部分的透射全息是检测被测光学元件的部分口径面形的测试全息；此时反射波前将按原光路返回，与参考波前形成干涉条纹，此时将干涉条纹调节到零条纹，则亦能实现被测光学元件的波长量级的对准。
9.根据权利要求8所述的用于光学元件在光轴方向位置对准的方法，还能监控被测光学元件的平移和倾斜，具有多维对准功能。
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