CN103884295A - 轴锥镜锥角检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种轴锥镜锥角检测装置及其检测方法，该装置由平行光管、聚焦透镜和图像传感器组成，其位置关系是：沿所述的平行光管出射光束方向依次是所述的聚焦透镜和图像传感器，在所述的平行光管和聚焦透镜之间设置待测轴锥镜的插口。该装置具有结构简单，易于实现对任意角度轴锥镜的测量，还能够测量轴锥镜不同位置处锥角等优点。

Description

轴锥镜锥角检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及光学检测领域，特别是一种轴锥镜锥角检测装置及其检测方法。

技术背景

轴锥镜为焦线沿光轴方向的旋转对称角锥形光学元件，由于它可以为光学系统提供一个长焦深，使得它在激光束整形、激光钻孔技术、光学检测、激光谐振器、非衍射光束的产生等方面被广泛使用，且在光刻照明系统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，对轴锥镜锥角的测量需要精确的方法来实现。

在先技术[1](M.de Angelis,S.De Nicola,P.Ferraro,et al.“Test of a conical lensusing a two-beam shearing interferometer”,Opt Laser Eng.39:155-163(2003).)利用两光束剪切干涉技术检测衍射锥形透镜，用于测量由平面和透镜的锥形面形成的角度。此技术是通过待测锥形透镜实现两个相干面波前传输的一种离轴干涉检测方法。该方法对大角度轴锥镜的测量是无效的。

在先技术[2](Jun Ma,Christof Pruss,Matthias,et al.“Systematic analysis of themeasurement of cone angles using high line density computer-generated holograms”,Optical Engineering.50(5):05580-1-05880-9(2011).)，给出了锥角测量的实验研究法。此方法首先需要制作一个高线密度的计算全息图，其次需要对干涉仪进行校准。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的不足，提出一种轴锥镜锥角检测装置及其检测方法，该装置具有结构简单，易于实现对任意角度轴锥镜的测量，还能够测量轴锥镜不同位置处锥角等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种轴锥镜锥角的检测装置，其特点在于该装置由平行光管、聚焦透镜和图像传感器组成，其位置关系是：沿所述的平行光管出射光束方向依次是所述的聚焦透镜和图像传感器，在所述的平行光管和聚焦透镜之间设置待测轴锥镜的插口。

利用上述的轴锥镜锥角检测装置对轴锥镜锥角的检测方法，该检测方法包括以下步骤：

①在所述的平行光管与所述的聚焦透镜之间的待测轴锥镜的插口置入楔角与轴锥镜的锥角相同或相近的光楔，将所述的光楔的平面朝向所述的平行光管的出光方向，调整所述光楔的平面与所述的平行光管出射光束垂直；

②调整所述的聚焦透镜的中轴与光楔出射光的中轴重合；所述的图像传感器的感光面与所述的聚焦透镜的像方焦面重合；

③所述的平行光管出射的光束经所述的光楔、聚焦透镜汇聚到所述的图像传感器的感光面上成像，记录该像的位置；

④用所述的待测轴锥镜替换所述的光楔，调整所述的待测轴锥镜的平面与所述的平行光管出射光束垂直；所述的待测轴锥镜平面的某一方向中线与平行光管出射光束的横截面对应方向中线重合，同时平行光管出射光束的横截面不与待测轴锥镜平面的另一方向中线相交；

⑤所述的平行光管出射的光束透过所述的待测轴锥镜、聚焦透镜汇聚到所述的图像传感器的感光面上成像，记录该像的位置；

⑥测量所述的平行光管出射的光束透过光楔或待测轴锥镜透射光经聚焦透镜聚焦后在图像传感器的感光面上的像的位置偏差Δx，利用下式计算所述的待测轴锥镜的锥角θ：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left\{\frac{\sin [\mathrm{\α}-\arcsin (n*\sin \left(\mathrm{\α}\right))+\arctan (\mathrm{\Δx}/f)]}{\cos [\mathrm{\α}-\arcsin (n*\sin \left(\mathrm{\α}\right))+\arctan (\mathrm{\Δx}/f)]-n}\right\}$

式中，n为所述的待测轴锥镜的折射率，f为聚焦透镜的焦距，α为光楔的楔角，获得θ1；

⑦在保证所述的平行光管出射光束与所述的待测轴锥镜平面垂直，所述的待测轴锥镜平面的某一方向中线与平行光管出射光束的横截面对应方向中线重合，且平行光管出射光束的横截面不与待测轴锥镜平面的另一方向中线相交的情况下移动所述的待测轴锥镜，重复步骤⑤和⑥，获得θ2；

⑧在保证所述的平行光管出射光束与所述的待测轴锥镜平面垂直，所述的待测轴锥镜平面的某一方向中线与平行光管出射光束的横截面对应方向中线重合，且平行光管出射光束的横截面不与待测轴锥镜平面的另一方向中线相交的情况下旋转所述的待测轴锥镜，重复步骤⑤和⑥，获得θ3；

⑨将步骤⑥、⑦、⑧计算的待测轴锥镜的锥角平均θ＝（θ1+θ2+θ3）/3，即为待测轴锥镜的锥角θ。

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.本发明可以实现对任意角度轴锥镜的锥角测量；

2.本发明装置结构简单，易于实现检测操作；

3.本发明即可测量锥角，又可测量不同位置锥角分布情况，结果更加准确。

附图说明

图1为本发明轴锥镜锥角检测装置确定光楔透射光在图像传感器上位置的原理图

图2为本发明轴锥镜锥角检测装置测量凸面轴锥镜的原理图

图3为本发明轴锥镜锥角检测装置测量凹面轴锥镜的原理图

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和图2，图1和图2是本发明轴锥镜锥角检测装置的原理图。由图可见，本发明轴锥镜锥角检测装置，该装置由平行光管1、聚焦透镜3及图像传感器4组成，其位置关系是：沿平行光管1出射光束方向依次是聚焦透镜3和图像传感器4。在所述的平行光管1与聚焦透镜3之间放置光楔或待测轴锥镜的插口。

利用上述轴锥镜锥角检测装置对轴锥镜锥角进行检测方法，该检测方法包括以下步骤：

①在平行光管1与聚焦透镜3之间的待测轴锥镜的插口置入与轴锥镜加工锥角相同的光楔2，光楔2的平面朝向平行光管1的出光方向；调整光楔2的平面与平行光管1的出射光束垂直；

②调整聚焦透镜3的中轴与光楔2出射光中轴重合；图像传感器4位置与聚焦透镜3的像方焦面重合；

③平行光管1出射的光束透过光楔2入射到聚焦透镜3，经聚焦透镜3将光束汇聚到图像传感器4上，记录下图像传感器4上的像的位置。

④用待测轴锥镜5替换光楔2，调整待测轴锥镜5的平面与平行光管1出射光束垂直；待测轴锥镜5平面的某一方向中线与平行光管1出射光束的横截面对应方向中线重合，同时平行光管1出射光束的横截面不与待测轴锥镜5平面的另一方向中线相交；

⑤平行光管1出射的光束透过待测轴锥镜5入射到聚焦透镜3，经聚焦透镜3将光束汇聚到图像传感器4上，记录下图像传感器4上像的位置。通过对比光楔2和待测轴锥镜5透射光经聚焦透镜3聚焦后在图像传感器4上位置即可计算出所述的待测轴锥镜5的锥角。

待测轴锥镜5的锥角θ可表示为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left\{\frac{\sin [\mathrm{\α}-\arcsin (n*\sin \left(\mathrm{\α}\right))+\arctan (\mathrm{\Δx}/f)]}{\cos [\mathrm{\α}-\arcsin (n*\sin \left(\mathrm{\α}\right))+\arctan (\mathrm{\Δx}/f)]-n}\right\}$

式中，n为待测轴锥镜5的折射率，f为聚焦透镜3的焦距，α为光楔2角度，Δx为光楔2和待测轴锥镜5透射光经聚焦透镜3聚焦后在图像传感器4上的位置偏差。

⑥在保证平行光管1出射光束与待测轴锥镜5平面垂直，待测轴锥镜5平面的某一方向中线与平行光管1出射光束的横截面某一方向中线重合，且平行光管1出射光束的横截面不与待测轴锥镜5平面的另一方向中线相交的情况下移动所述的待测轴锥镜5，重复步骤⑤。

⑦在保证平行光管1出射光束与待测轴锥镜5平面垂直，待测轴锥镜5平面的某一方向中线与平行光管1出射光束的横截面某一方向中线重合，且平行光管1出射光束的横截面不与待测轴锥镜5平面的另一方向中线相交的情况下，旋转所述的待测轴锥镜5，重复步骤⑤。

⑧通过对各个位置测量角度取平均即可求出待测轴锥镜5的平均锥角。

图3为本发明轴锥镜锥角检测装置测量凹面轴锥镜的原理图，由图可见，本发明实施例2的待测轴锥镜5是凹面轴锥镜，测量凹面轴锥镜锥角的步骤与测量凸面轴锥镜锥角的步骤相同。

Claims (3)

1.一种轴锥镜锥角的检测装置，其特征在于该装置由平行光管、聚焦透镜和图像传感器组成，其位置关系是：沿所述的平行光管出射光束方向依次是所述的聚焦透镜和图像传感器，在所述的平行光管和聚焦透镜之间设置待测轴锥镜的插口。

2.利用权利要求1所述的轴锥镜锥角检测装置对轴锥镜锥角的检测方法，其特点在于该检测方法包括以下步骤：

①在所述的平行光管与所述的聚焦透镜之间的待测轴锥镜的插口置入楔角与轴锥镜的锥角相同或相近的光楔，将所述的光楔的平面朝向所述的平行光管的出光方向，调整所述光楔的平面与所述的平行光管出射光束垂直；

②调整所述的聚焦透镜的中轴与光楔出射光的中轴重合；所述的图像传感器的感光面与所述的聚焦透镜的像方焦面重合；

③所述的平行光管出射的光束经所述的光楔、聚焦透镜汇聚到所述的图像传感器的感光面上成像，记录该像的位置；

④用所述的待测轴锥镜替换所述的光楔，调整所述的待测轴锥镜的平面与所述的平行光管出射光束垂直；所述的待测轴锥镜平面的某一方向中线与平行光管出射光束的横截面对应方向中线重合，同时平行光管出射光束的横截面不与待测轴锥镜平面的另一方向中线相交；

⑤所述的平行光管出射的光束透过所述的待测轴锥镜、聚焦透镜汇聚到所述的图像传感器的感光面上成像，记录该像的位置；

⑥测量所述的平行光管出射的光束透过光楔或待测轴锥镜透射光经聚焦透镜聚焦后在图像传感器的感光面上的像的位置偏差Δx，利用下式计算所述的待测轴锥镜的锥角θ：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left\{\frac{\sin [\mathrm{\α}-\arcsin (n*\sin \left(\mathrm{\α}\right))+\arctan (\mathrm{\Δx}/f)]}{\cos [\mathrm{\α}-\arcsin (n*\sin \left(\mathrm{\α}\right))+\arctan (\mathrm{\Δx}/f)]-n}\right\}$

式中，n为所述的待测轴锥镜的折射率，f为聚焦透镜的焦距，α为光楔的楔角，获得θ1；

⑦在保证所述的平行光管出射光束与所述的待测轴锥镜平面垂直，所述的待测轴锥镜平面的某一方向中线与平行光管出射光束的横截面对应方向中线重合，且平行光管出射光束的横截面不与待测轴锥镜平面的另一方向中线相交的情况下移动所述的待测轴锥镜，重复步骤⑤和⑥，获得θ2；

⑧在保证所述的平行光管出射光束与所述的待测轴锥镜平面垂直，所述的待测轴锥镜平面的某一方向中线与平行光管出射光束的横截面对应方向中线重合，且平行光管出射光束的横截面不与待测轴锥镜平面的另一方向中线相交的情况下旋转所述的待测轴锥镜，重复步骤⑤和⑥，获得θ3；

⑨将步骤⑥、⑦、⑧计算的待测轴锥镜的锥角平均θ＝（θ1+θ2+θ3）/3，即为待测轴锥镜的锥角θ。

3.根据权利要求2所述的检测方法，其特点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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