CN103994734A - 基于双波长光源的轴锥镜锥角检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双波长光源的轴锥镜锥角检测装置，特点在于该装置由双波长光源、聚焦透镜、滤光小孔、分光镜、准直透镜、成像透镜、第一图像传感器、第二图像传感器、第一位置调整机构和第二位置调整机构组成，本发明装置和方法具有结构简单、计算方便和不需要标准镜等优点。

Description

基于双波长光源的轴锥镜锥角检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及光学检测领域，特别是一种基于双波长光源的轴锥镜锥角检测装置及检测方法。

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，这一优点使它广泛应用于激光束整形、激光钻孔、光学检测、激光谐振腔、非衍射光束的产生等方面，尤其在光刻照明系统中利用轴锥镜可以实现环形照明模式。对轴锥镜锥角的高精度、大范围检测一直以来备受关注。

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).)利用两束光剪切干涉技术检测轴锥镜平面与锥形面形成的夹角，其光学结构需要两束具有一小角度的相干光透过轴锥镜，根据其干涉条纹求出两束光相位差后计算其锥角，计算过程较复杂。

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).)使用Twyman-Green干涉仪对轴锥镜锥角进行检测，检测前需制作高线密度的计算全息图作为标准镜，计算全息图加工难度大，成本高。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的不足，提出一种基于双波长光源的轴锥镜锥角检测装置及检测方法，该装置和方法具有结构简单、计算方便和不需要标准镜等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于双波长光源的轴锥镜锥角检测装置，特点在于该装置由双波长光源、聚焦透镜、滤光小孔、分光镜、准直透镜、成像透镜、第一图像传感器、第二图像传感器、第一位置调整机构和第二位置调整机构组成，其位置关系是：沿双波长光源出射光束方向依次是所述的聚焦透镜、滤光小孔、分光镜、准直透镜、成像透镜和第二图像传感器；第一图像传感器位于所述的准直透镜的前焦面，且第一图像传感器的中心与所述的准直透镜的中心共轴；所述的分光镜位于第一图像传感器与准直透镜之间；所述的滤光小孔与第一图像传感器相对于所述的分光镜共轭；第二图像传感器位于所述的成像透镜的后焦面，且第二图像传感器的中心与成像透镜中心共轴；所述的聚焦透镜、准直透镜、成像透镜均为消色差透镜，在所述的准直透镜和成像透镜之间预留有待测轴锥镜位置并置于所述的第一位置调整机构上，所述的成像透镜和第二图像传感器置于所述的第二位置调整机构上。

利用权上述基于双波长的轴锥镜锥角检测装置对轴锥镜锥角的检测方法，其特点在于该方法包括以下步骤：

①将待测轴锥镜放在所述的第一位置调整机构上，使所述的待测轴锥镜位于所述的准直透镜与成像透镜之间；

②启动所述的双波长光源，所述的双波长光源出射的光束经聚焦透镜聚焦、滤光小孔滤波、分光镜反射后进入所述的准直透镜准直，调节所述的第一位置调整机构，使准直光束从待测轴锥镜的平面入射，使从待测轴锥镜的平面反射的光束经所述的准直镜、分光镜到达第一图像传感器的中心位置；

③调节第二位置调整机构，使光束在第二图像传感器上形成两个光斑的位置，任意一个光斑的中心与所述的第二图像传感器的中心重合；

④记录第二图像传感器上两个光斑中心的位置，计算两个光斑中心的相对位置偏差Δx，按下列公式计算待测轴锥镜的锥角θ:

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left\{\frac{\sin \left[\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δx}}{f}\right)\right]}{\sqrt{n_1^2+n_2^2-2n_1{n}_2\cos \left[\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δx}}{f}\right)\right]}}\right\}$

其中，n₁为待测轴锥镜制作材料相对第一种波长的折射率，n₂为待测轴锥镜制作材料相对于第二种波长的折射率，f为所述的成像透镜的焦距。

与在先技术相比，本发明的技术效果如下：

1.本发明装置结构简单，易于实现检测操作，计算方便；

2.本发明装置检测前不需要制作标准镜。

附图说明

图1为本发明基于双波长光源的轴锥镜锥角检测装置测量凸面轴锥镜的原理图

图2为本发明基于双波长光源的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，图1是本发明基于双波长光源的轴锥镜锥角检测装置的原理图。由图可见，本发明基于双波长光源的轴锥镜锥角检测装置，该装置由双波长光源1、聚焦透镜2、滤光小孔3、分光镜5、准直透镜6、成像透镜9、第一图像传感器4，第二图像传感器10、第一位置调整机构8及第二位置调整机构11组成，其位置关系是：沿双波长光源1出射光束方向依次是聚焦透镜2、滤光小孔3、分光镜5、准直透镜6、成像透镜9和第二图像传感器10；第一图像传感器4位于准直透镜6的前焦面，且第一图像传感器4的中心与准直透镜6中心共轴；分光镜5位于第一图像传感器4与准直透镜6之间；滤光小孔3与第一图像传感器4相对于分光镜5共轭；第二图像传感器10位于所述的成像透镜9的后焦面，且第二图像传感器10的中心与成像透镜9中心共轴；聚焦透镜2、准直透镜6、成像透镜9均为消色差透镜。在准直透镜6和成像透镜9之间预留待测轴锥镜7位置。

利用上述基于双波长的轴锥镜锥角检测装置对轴锥镜锥角的检测方法，其特点在于该方法包括以下步骤：

①双波长光源1出射的光束经聚焦透镜2聚焦到滤光小孔3，通过滤光小孔3的光经分光镜5反射后经准直透镜6准直；

②在准直透镜6与成像透镜9之间置入待测轴锥镜7，使步骤①产生的准直光束从待测轴锥镜7的平面入射；

③通过第一位置调整机构8调节待测轴锥镜7，使待测轴锥镜7的平面反射光束经准直镜6、分光镜5到达第一图像传感器4的中心位置；通过第二位置调整机构11调节光束在第二图像传感器10上形成两个光斑的位置，使其中任意一个光斑的中心与所述的第二图像传感器10的中心重合，即其中一束光束传播方向与所述的成像透镜光轴方向相同；

④记录第二图像传感器10上两个光斑的中心的位置，计算两个光斑的中心相对位置偏差Δx，这样便可利用Δx解出待测轴锥镜7的锥角。

成像透镜9的焦距为f，待测轴锥镜7的锥角为θ，待测轴锥镜7的制作材料相对第一种波长的折射率n₁，相对于第二种波长的折射率为n₂，两种波长光束经待测轴锥镜7后的折射角β₁、β₂分别为：

β₁＝arcsin(n₁sinθ)                  (1)

β₂＝arcsin(n₂sinθ)                  (2)

两种波长光束经待测轴锥镜7后夹角为：

β＝β₁－β₂＝acrsin(n₁sinθ)-arcsin(n2sinθ)               (3)

其中一束光束传播方向与成像透镜9的光轴方向相同，因此β可用下式计算：

$\mathrm{\β}=\tan \left(\frac{\mathrm{\Δx}}{f}\right)$

依据下列公式计算待测轴锥镜7的锥角θ：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left\{\frac{\sin \left[\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δx}}{f}\right)\right]}{\sqrt{n_1^2+n_2^2-2n_1{n}_2\cos \left[\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δx}}{f}\right)\right]}}\right\}---\left(5\right)$

设轴锥镜的材料为BK7，入射光波长分别为532nm和633nm，则n₁＝1.5194725831，n₂＝1.5150823520，成像透镜焦距f为200mm，相对位置偏差Δx为6mm，则由上式可计算出待测轴锥镜7的锥角θ为40.9922度。

图2为本发明基于双波长光源的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7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。

实验表明，本发明具有结构简单、计算方便和不需要标准镜等优点。

Claims (2)

1.一种基于双波长光源的轴锥镜锥角检测装置，特征在于该装置由双波长光源(1)、聚焦透镜(2)、滤光小孔(3)、分光镜(5)、准直透镜(6)、成像透镜(9)、第一图像传感器(4)、第二图像传感器(10)、第一位置调整机构(8)和第二位置调整机构(11)组成，其位置关系是：沿双波长光源(1)出射光束方向依次是所述的聚焦透镜(2)、滤光小孔(3)、分光镜(5)、准直透镜(6)、成像透镜(9)和第二图像传感器(10)；第一图像传感器(4)位于所述的准直透镜(6)的前焦面，且第一图像传感器(4)的中心与所述的准直透镜(6)的中心共轴；所述的分光镜(5)位于第一图像传感器(4)与准直透镜(6)之间；所述的滤光小孔(3)与第一图像传感器(4)相对于所述的分光镜(5)共轭；第二图像传感器(10)位于所述的成像透镜(9)的后焦面，且第二图像传感器(10)的中心与成像透镜(9)中心共轴；所述的聚焦透镜(2)、准直透镜(6)、成像透镜(9)均为消色差透镜，在所述的准直透镜(6)和成像透镜(9)之间预留有待测轴锥镜(7)位置并置于所述的第一位置调整机构(8)上，所述的成像透镜(9)和第二图像传感器(10)置于所述的第二位置调整机构(11)上。

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

①将待测轴锥镜(7)放在所述的第一位置调整机构(8)上，使所述的待测轴锥镜(7)位于所述的准直透镜(6)与成像透镜(9)之间；

②启动所述的双波长光源(1)，所述的双波长光源(1)出射的光束经聚焦透镜(2)聚焦、滤光小孔(3)滤波、分光镜(5)反射后进入所述的准直透镜(6)准直，调节所述的第一位置调整机构(8)，使准直光束从待测轴锥镜(7)的平面入射，使从待测轴锥镜(7)的平面反射的光束经所述的准直镜(6)、分光镜(5)到达第一图像传感器(4)的中心位置；

③调节第二位置调整机构(11)，使光束在第二图像传感器(10)上形成两个光斑的位置，任意一个光斑的中心与所述的第二图像传感器(10)的中心重合；

④记录第二图像传感器(10)上两个光斑中心的位置，计算两个光斑中心的相对位置偏差Δx，按下列公式计算待测轴锥镜(7)的锥角θ:

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left\{\frac{\sin \left[\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δx}}{f}\right)\right]}{\sqrt{n_1^2+n_2^2-2n_1{n}_2\cos \left[\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δx}}{f}\right)\right]}}\right\}$

其中，n₁为待测轴锥镜(7)制作材料相对第一种波长的折射率，n₂为待测轴锥镜(7)制作材料相对于第二种波长的折射率，f为所述的成像透镜的焦距。