CN103439086B - 一种非接触式检测曲面棱镜的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式检测曲面棱镜的方法及装置，首先将单色平面光射入到待测曲面棱镜后，形成球面波与平面波的叠加；再通过平面棱镜调整波面的传播方向，并通过校正镜组校正所述待测曲面棱镜成像引入的像差；由图像接收器件接收校正处理后的图像，所述图像接收器件接收到的是衍射造成的点扩散图样；根据所述图像接收器件接收到的图像判别所述待测曲面棱镜是否达到精度要求。该检测方法采用非接触测量，不损伤元件加工面，通过图像即可判定加工是否合格，可作为在线快速、批量检测Fery棱镜的有效手段。

Description

一种非接触式检测曲面棱镜的方法及装置

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种非接触式检测曲面棱镜的方法及装置。

背景技术

目前，从复色光中分出单色光的手段主要有棱镜色散、光栅衍射、干涉滤光片等方法，而棱镜色散的方法由于其原理简洁、性能稳定、加工成熟等优点，在各类光谱仪器，例如光谱仪、分光仪、分光光度计等均获得了广泛的应用。传统的色散棱镜，其前后表面均是平面，如图1所示为传统色散棱镜的光路示意图，所需要精确测量的参数主要有面形精度和棱角顶角，面形精度可以用Zygo干涉仪测量，而决定色散率的棱镜顶角，

可以用自准望远镜的反射像法、标准角块贴置法和厚薄尺寸测量法等方法来进行测定。

C.Fery在1910年提出Fery棱镜，称之为含有曲面的棱镜（aprismwithcurvedfaces），Fery棱镜（即曲面棱镜）同时具有棱镜的色散功能和透镜的成像功能，是一种特殊的光学元件，如图2所示为现有技术中Fery棱镜的工作光路示意图，该曲面棱镜需要精确测量的参数包括有前后表面的曲率半径、前后表面光轴偏角（色散角）和中心厚度等。

而由于曲面棱镜的色散角与中心厚度均具有特殊性，不能采用测定传统平面棱镜顶角的方法来测量，也不能采用测定透镜中心厚度的方法来测量，现有技术中缺乏对曲面棱镜进行检测的有效手段。

发明内容

本发明的目的是提供一种非接触式检测曲面棱镜的方法及装置，该检测方法采用非接触测量，不损伤元件加工面，通过图像即可判定加工是否合格，可作为在线快速、批量检测Fery棱镜的有效手段。

一种非接触式检测曲面棱镜的方法，所述方法包括：

将单色平面光射入到待测曲面棱镜后，形成球面波与平面波的叠加；

再通过平面棱镜调整波面的传播方向，并通过校正镜组校正所述待测曲面棱镜成像引入的像差；

由图像接收器件接收校正处理后的图像，所述图像接收器件接收到的是衍射造成的点扩散图样；

根据所述图像接收器件接收到的图像判别所述待测曲面棱镜是否达到精度要求。

所述待测曲面棱镜的前后通光面都是球面，所采用的材料为光学玻璃、晶体材料或光学塑料，其折射率n的取值范围为：1<n<2。

所述根据所述图像接收器件接收到的图像判别所述待测曲面棱镜是否达到精度要求，具体包括：

将所述图像接收器件接收到图像的数字影像灰度值曲线与计算机系统仿真的衍射图像进行对比，若两者的半高宽之差在半个像元以内，则判断所述待测曲面棱镜达到精度要求。

一种非接触式检测曲面棱镜的装置，所述装置包括单色光源、平面棱镜、校正镜组和图像接收器件，其中：

所述单色光源发出单色平面光，并射入到待测曲面棱镜，形成球面波与平面波的叠加；

再通过所述平面棱镜调整波面的传播方向，并通过所述校正镜组校正所述待测曲面棱镜成像引入的像差；

由所述图像接收器件接收校正处理后的图像，所述图像接收器件接收到的是衍射造成的点扩散图样，并根据所述图像接收器件接收到的图像判别所述待测曲面棱镜是否达到精度要求。

所述单色光源为平行光管或Zygo干涉仪的输出端，且口径覆盖所述待测曲面棱镜的有效口径。

所述图像接收器件为光电探测器或读数显微镜。

所述平面棱镜为传统三棱镜，所采用的材料为光学玻璃或光学晶体，其折射率n的取值范围为：1<n<2。

所述校正镜组由2块以上的透镜组成，所采用的材料为光学玻璃或光学晶体，其折射率n的取值范围为：1<n<2。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，首先将单色平面光射入到待测曲面棱镜后，形成球面波与平面波的叠加；再通过平面棱镜调整波面的传播方向，并通过校正镜组校正所述待测曲面棱镜成像引入的像差；由图像接收器件接收校正处理后的图像，所述图像接收器件接收到的是衍射造成的点扩散图样；根据所述图像接收器件接收到的图像判别所述待测曲面棱镜是否达到精度要求。该检测方法采用非接触测量，不损伤元件加工面，通过图像即可判定加工是否合格，可作为在线快速、批量检测Fery棱镜的有效手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为传统色散棱镜的光路示意图；

图2为现有技术中Fery棱镜的工作光路示意图；

图3为本发明实施例所提供的非接触式检测曲面棱镜的方法流程示意图；

图4为本发明实施例所提供的非接触式检测曲面棱镜装置检测光路示意图；

图5为本发明实施例所提供的待测Fery棱镜的主要参数几何示意图；

图6为本发明实施例所提供的光学系统传递函数曲线图；

图7为本发明实施例所提供的图像接收器件上的相对照度曲线图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例是将平行光经过待测曲面棱镜后得到的非标准波面转化成球面波，再根据图像接收器件接收到的图像反推出待测曲面棱镜的色散角和中心厚度的加工质量是否达到要求。下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图3所示为本发明实施例所提供的非接触式检测曲面棱镜的方法流程示意图，所述测量方法包括：

步骤31：将单色平面光射入到待测曲面棱镜后，形成球面波与平面波的叠加；

具体实现中，待测曲面棱镜的前后通光面都是球面，所采用的材料为光学玻璃、晶体材料或光学塑料，其折射率n的取值范围为：1<n<2。

步骤32：再通过平面棱镜调整波面的传播方向，并通过校正镜组校正所述待测曲面棱镜成像引入的像差；

具体实现中，将平面棱镜和校正镜按照设计值装调好并满足公差要求即可，具体可通过定心加工实现高精度调整。

步骤33：由图像接收器件接收校正处理后的图像，所述图像接收器件接收到的是衍射造成的点扩散图样；

步骤34：根据所述图像接收器件接收到的图像判别所述待测曲面棱镜是否达到精度要求。

在该步骤中，具体可以将图像接收器件所接收到图像的数字影像灰度值DN曲线与计算机系统仿真的衍射图像进行对比，若两者的半高宽之差在半个像元以内，则判断该待测曲面棱镜达到精度要求。

基于上述的检测方法，本发明还提供了一种非接触式检测曲面棱镜装置，如图4所示为本发明实施例所提供的非接触式检测曲面棱镜装置检测光路示意图，图4中包括：单色光源1、平面棱镜3、校正镜组4和图像接收器件5，其中：

所述单色光源1发出单色平面光，并射入到待测曲面棱镜2，形成球面波与平面波的叠加；

再通过所述平面棱镜3调整波面的传播方向，并通过所述校正镜组4来校正所述待测曲面棱镜成像引入的像差；

最后由所述图像接收器件5接收校正处理后的图像，所述图像接收器件5接收到的是衍射造成的点扩散图样，并根据所述图像接收器件5接收到的图像判别所述待测曲面棱镜2是否达到精度要求，具体判断方式见上述方法实施例所述。

在具体实现中，单色光源1可以为平行光管或Zygo干涉仪的输出端，且口径覆盖所述待测曲面棱镜的有效口径。

所述图像接收器件5可以为光电探测器，比如CCD、CMOS和PSD，也可以是读数显微镜。

所述平面棱镜3可以为传统三棱镜，前后通光表面均为平面，可以是直角棱镜，也可以是非直角棱镜，所采用的材料为光学玻璃或光学晶体，其折射率n的取值范围为：1<n<2。同时为了避免混淆误差来源，平面棱镜要求有较高的加工精度，平面棱镜可以采用Zygo干涉仪检测。

所述校正镜组4可以由2块以上透镜组成，单块透镜的透光表面可以是球面，也可以是非球面，所采用的材料为光学玻璃或光学晶体，其折射率n的取值范围为：1<n<2。为了避免混淆误差来源，校正镜组的表面精度和间隔要求较高，表面精度可以采用Zygo干涉仪或者样板法检测，校正镜组间隔用厚度仪或者百分表确定。

以具体实例举例来说，采用上述装置对待测Fery棱镜进行检测，如图5所示为本实施例所提供的待测Fery棱镜的主要参数几何示意图，该待测Fery棱镜各参数的值分别为：前表面曲率R1为64mm，后表面曲率R2为50mm，中心厚度d为5mm，色散角a为10°，且本实例中检测装置的具体参数如下表1所示：

表1:

利用上述的检测装置和检测方法对该待测Fery棱镜的加工精度进行检测，如图6所示为本实施所提供的光学系统传递函数曲线图，由图6可以看出：该待测Fery棱镜的光学系统在那奎斯特频率以内的成像质量均接近衍射极限。

如图7所示为本实施例所提供的图像接收器件上的相对照度曲线图，由图7的仿真结果可以建立相应的判别程序，从而确定该待检测的Fery棱镜是否达到加工精度要求，即通过过判断所接收到图像的DN值曲线的半高宽与计算机系统仿真结果之差在半个像元以内，则认为该待测曲面棱镜满足加工精度要求。

综上所述，本发明实施例所提供的检测方法无需接触Fery棱镜的前后通光表面，不会对加工零件的工作面造成任何损伤；光波经过待测Fery棱镜时，引入的波像差包含了Fery棱镜全口径前后表面的面形精度和角度偏差，比取点采样的检测方法更全面，不会引入取点误差；同时，该方法可重复性强，在检测同样参数的Fery棱镜时，只需要搭建一次光路，适合于加工现场Fery棱镜的批量、快速检测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种非接触式检测曲面棱镜的方法，其特征在于，所述方法包括：

将单色平面光射入到待测曲面棱镜后，形成球面波与平面波的叠加；

再通过平面棱镜调整波面的传播方向，并通过校正镜组校正所述待测曲面棱镜成像引入的像差；

由图像接收器件接收校正处理后的图像，所述图像接收器件接收到的是衍射造成的点扩散图样；

根据所述图像接收器件接收到的图像判别所述待测曲面棱镜是否达到精度要求；

其中，所述根据所述图像接收器件接收到的图像判别所述待测曲面棱镜是否达到精度要求，具体包括：

将所述图像接收器件接收到图像的数字影像灰度值曲线与计算机系统仿真的衍射图像进行对比，若两者的半高宽之差在半个像元以内，则判断所述待测曲面棱镜达到精度要求。

2.根据权利要求1所述非接触式检测曲面棱镜的方法，其特征在于，

所述待测曲面棱镜的前后通光面都是球面，所采用的材料为光学玻璃、晶体材料或光学塑料，其折射率n的取值范围为：1<n<2。

3.一种非接触式检测曲面棱镜的装置，其特征在于，所述装置包括单色光源、平面棱镜、校正镜组和图像接收器件，其中：

所述单色光源发出单色平面光，并射入到待测曲面棱镜，形成球面波与平面波的叠加；

再通过所述平面棱镜调整波面的传播方向，并通过所述校正镜组校正所述待测曲面棱镜成像引入的像差；

由所述图像接收器件接收校正处理后的图像，所述图像接收器件接收到的是衍射造成的点扩散图样，并根据所述图像接收器件接收到的图像判别所述待测曲面棱镜是否达到精度要求，具体是将所述图像接收器件接收到图像的数字影像灰度值曲线与计算机系统仿真的衍射图像进行对比，若两者的半高宽之差在半个像元以内，则判断所述待测曲面棱镜达到精度要求。

4.如权利要求3所述非接触式检测曲面棱镜的装置，其特征在于，

所述单色光源为平行光管或Zygo干涉仪的输出端，且口径覆盖所述待测曲面棱镜的有效口径。

5.如权利要求3所述非接触式检测曲面棱镜的装置，其特征在于，

所述图像接收器件为光电探测器或读数显微镜。

6.如权利要求3所述非接触式检测曲面棱镜的装置，其特征在于，

所述平面棱镜为传统三棱镜，所采用的材料为光学玻璃或光学晶体，其折射率n的取值范围为：1<n<2。

7.如权利要求3所述非接触式检测曲面棱镜的装置，其特征在于，

所述校正镜组由2块以上的透镜组成，所采用的材料为光学玻璃或光学晶体，其折射率n的取值范围为：1<n<2。