CN104976965A - 一种会聚光路偏振干涉面型偏差检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种会聚光路偏振干涉面型偏差检测装置及其方法，装置包括偏振分束器，偏振分束器正下方的固定的聚光标准镜、激光扩束镜、激光光源，偏振分束器和检测激光光源之间设置的起偏器、偏振分束器正右方的次第固定有第一1/4波片及待测镜片、偏振分束器正左方的定位固定有接收屏，偏振分束器正左方设置有检偏器、偏振分束器正上方的定位固定有第二1/4波片、光学样板，利用该装置采用偏振干涉的方法，可使两相干光束有近似相等的光强，条纹亮度可以调节，能够抑制杂散光等光学噪声的影响，得到对比度高的干涉条纹，减少后期图像处理的误差，提高镜片检测的精度，使得光能被最大限度的利用，消除背景杂散光，提高干涉条纹的对比度。

Description

一种会聚光路偏振干涉面型偏差检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及本发明目的在于克服上述缺陷，提供一种会聚光路偏振干涉面型偏差检测方法，特别适用于无损检验球面镜片曲率半径偏差、象散偏差、局部偏差的检测方法。

背景技术

    目前，检验抛光后的光学零件面形偏差通常采用光学样板或干涉仪检测，检验方法都是根据光的干涉原理，在光学车间检验光学零件的面形偏差，常用的方法有干涉图样法和阴影法。干涉图样法可分为接触法（即样板法）和非接触法（即干涉仪法）。

在光学车间光学镜片面形偏差检测通常采用光学样板法，而镜片下盘后出厂前的终检采用干涉仪检测法。二者都是根据光的干涉原理，通过观察到的干涉条纹的数目、形状、变化状态和颜色来确定镜片的面形偏差。样板法检测需要将待测镜片和光学样板直接接触，加压观察，这种检测方法不仅对镜片的表面光洁度造成一定程度的破坏，多次测量还会使光学样板磨损，给测量结果带来误差，造成反复返工甚至报废、大大降低了生产效率、增加了生产成本。干涉仪（以美国zego为例）属于非接触无损检测，测量精度高，但价格昂贵，而且测量范围受到标准镜头相关孔径的限制，需要多种规格的标准镜头，并且需要一定长度的导轨来实现基准面的球心从待测透镜的球面顶点移动到与被测面的球心重合，通过测量移动的距离获得待测透镜的曲率半径。干涉图不能反映曲率半径相对名义值的偏差，不适用于车间的在线检测。

专利申请号CN201010550796“透镜面形偏差检测装置及其方法”公开了一种小型球面干涉仪，该干涉仪使用两个完全相同的等边直角棱镜胶合而成的分光棱镜（结合面镀有半反半透膜），将检测光束分成透射和反射两束光，分别照射在待测镜片和光学样板上反射在接收屏上形成干涉条纹，它用于无损检验球面镜片偏差。但这种方法无法消除光源的亮斑和杂散光，采集到的干涉条纹对比度较差；且用平行光作为检测光，要求检测装置各光学元件口径较大，且光能利用率较低，产生的背景噪声较大，严重影响图像质量，使后期图像处理的误差变大。

发明专利200310122011.9“改进型迈克尔逊干涉仪”公开了一种分光器，该分光器是由两片完全相同的等边直角棱镜胶合而成的分光棱镜，且在胶合面上镀有一层半透半反膜，它可以实现光束的透镜和反射。它用于波长的测定，未应用到透镜的面形偏差检测。

发明内容

本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是设计一种适用于无损检验球面镜片曲率半径偏差、象散偏差、局部偏差的检测方法。

本发明的第一具体实施方案是：一种会聚光路偏振干涉面型偏差检测装置，包括偏振分束器，所述偏振分束器正下方的定位固定有聚光标准镜、所述聚光标准镜正下方的定位固定有激光扩束镜、激光扩束镜正下方的定位固定有激光光源、偏振分束器和检测激光光源之间设置有起偏器、在所述偏振分束器正右方的次第固定有第一1/4波片及待测镜片、偏振分束器正左方的定位固定有接收屏，偏振分束器正左方设置有检偏器、偏振分束器正上方的定位固定有第二1/4波片、第二1/4波片正上方设置有光学样板，所述激光扩束镜的中心轴线与光学样板的的光轴相交于偏振分束器的胶合面中心，接收屏垂直于光学样板的光轴。

进一步的，所述偏振分束器由两块等边直角棱镜的斜面胶合而成，其中一块等边直角棱镜的胶合面镀有偏振分光介质膜。

本发明的第二具体实施方案是：一种基于偏振干涉技术面型偏差检测方法，利用上述的一种基于偏振干涉技术面型偏差检测装置，包括以下步骤：

（1）旋转起偏器光轴方向，使分束器反射和透射的两束光光强相同；调节光学样板，使光学样板的光轴与透射光束的中心轴线重合，且光学样板的曲率中心与聚光标准镜的后焦点重合；调节待测镜片，使光学样板的光轴与反射光束的中心轴线重合；分别旋转光学样板和待测镜片前的1/4波片的光轴方向，使反射回接收屏的两束光的光强最大；旋转检偏器光轴方向，使两束光的光强相同。

（2）在光束的中心轴线方向前后移动待测镜片，观察干涉条纹，当干涉条纹数目最少时，采集干涉图样。

（3）将观测到的干涉条纹的图像特征及用球径仪等仪器精确测量的光学样板的基准面的曲率半径经过分析计算，就可以得到待测透镜的待测面的半径偏差、象散偏差、局部偏差。

（4）用球径仪等仪器精确测量的光学样板的基准面的曲率半径，经过计算可以得到待测透镜的待测面的曲率半径。可以实现对待测透镜的待测面的曲率半径的计算。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1、采用偏振干涉的方法，使两相干光束有近似相等的光强，条纹亮度可以调节，能够抑制杂散光等光学噪声的影响，得到对比度高的干涉条纹，减少后期图像处理的误差，提高镜片检测的精度。

2、在偏振分束器、偏振片、波片口径一定的情况下，采用会聚光束作为检测光束，相比于平行光路，可以扩大检测口径（如图4所示）。

平行光的检测半径RP与待测镜片离棱镜的距离b的关系式：

会聚光的检测半径RH与待测镜片离棱镜的距离b的关系式：

其中a是棱镜的尺寸，r是待测镜片的曲率半径，K9玻璃折射率为1.5。比较以上函数曲线，可证明采用会聚光束比平行光束检测口径更大。

3、采用会聚光束对凸面和小曲率半径的镜片进行检测时，可以控制光束汇聚于检测面的球心处，光束沿原路反射，使得光能被最大限度的利用，消除背景杂散光，提高干涉条纹的对比度。

4、不用长导轨，使仪器小型化。

5、可以实现对待测透镜的待测面的曲率半径的计算。

附图说明

图1为现有技术泰曼干涉原理图。

图2为平行光束与会聚光束对比简图。

图3为本发明光路示意图。

图4为本发明偏振分束器、偏振片、波片口径一定的情况下，采用会聚光束作为检测光束，相比于平行光路，检测口径情况对比示意图。

图中1.偏振分束器，2.第一1/4波片，3.待测镜片，3a.待测镜片3的基准面，4.起偏器，5.聚光标准镜，6.激光扩束镜，7.激光光源，8.检偏器，9.接收屏，10.第二1/4波片，11.光学样板，11a.光学样板11的基准面, 101.被测球面，102.标准球面，103.聚光镜，104.分束棱镜，105.泰曼干涉实验接收屏。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1~4所示，本发明方法方案是检测方法所使用的装置由两块等边直角棱镜的斜面胶合而成的偏振分束器1（胶合面镀有偏振分光介质膜）、偏振分束器1正下方设置的定位固定的聚光标准镜5、聚光标准镜5正下方的定位固定的激光扩束镜6、起偏器4设置在偏振分束器1和检测激光光源7之间、激光扩束镜6正下方的定位固定的激光光源7、偏振分束器1正右方的定位固定的第一1/4波片2、第一1/4波片2正右方的可前后移动的待测镜片3、偏振分束器1正左方的定位固定的接收屏9、检偏器8设置在偏振分束器1正左方任何位置、偏振分束器1正上方的定位固定的第二1/4波片10、第二1/4波片10正上方的光学样板11，激光扩束镜6的中心轴线与光学样板3的光轴相交于偏振分束器1的胶合面中心，接收屏9垂直于待测镜片3的光轴。

从激光光源7出射的光束入射到激光扩束镜6，激光扩束镜6将光束直径扩大，并调整为平行光，聚光标准镜5将整形后的光束会聚在光学样板11的曲率中心，经过聚光标准镜5的光束进入检偏器4成为线偏振光，之后垂直于偏振分束器1下方平面入射，在胶合面分成一束透射光束一束反射光束，透射光束以垂直于偏振分束器1的上方平面方向经过第二1/4波片10，射向光学样板11的基准面11a，经反射后沿原光路返回，再次经过第二1/4波片10，接着经过胶合面反射以垂直于左方平面的方向，经过检偏器8射向接收屏9，形成参考波前；反射光束以垂直于右方平面的方向经过第一1/4波片2，射向待测镜片3的基准面3a，经反射后沿原光路返回，再次经过第一1/4波片2，透射过胶合面以垂直于左方平面的方向，经过检偏器8射向接收屏9，形成测试波前。参考波前与测试波前汇合后形成干涉，沿待测镜片3光轴方向前后调节待测镜片3，在接收屏9处可以观察到干涉条纹。

还可以通过在光学样板11上安装压电陶瓷移相器，驱动光学样板11使其产生几分之一波长量级的光程变化，使干涉场产生变化的干涉图样，通过对干涉图样的处理，自动消除干涉场中的固定噪声。

本发明中采用的聚光路偏振干涉面型偏差检测装置，正下方的激光扩束镜、检测激光光源、聚光标准镜、起偏器，正上方的第二1/4波片、光学样板，正右方的第一1/4波片、待测镜片和正左方的检偏器、接收屏是以本说明书附图作为图例参照说明，将正下方的器件和正上方的器件位置对应互换，同时正左方的器件和正右方的器件位置对应互换在不影响光路的情形下不影响其使用性能及检测结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种会聚光路偏振干涉面型偏差检测装置，其特征在于，包括偏振分束器，所述偏振分束器正下方的定位固定有聚光标准镜、所述聚光标准镜正下方的定位固定有激光扩束镜、激光扩束镜正下方的定位固定有激光光源，偏振分束器和检测激光光源之间设置有起偏器、在所述偏振分束器正右方的次第固定有第一1/4波片及待测镜片、偏振分束器正左方的定位固定有接收屏，偏振分束器正左方设置有检偏器、偏振分束器正上方的定位固定有第二1/4波片、第二1/4波片正上方设置有光学样板，所述激光扩束镜的中心轴线与光学样板的的光轴相交于偏振分束器的胶合面中心，接收屏垂直于光学样板的光轴。

2.根据权利要求1所述的一种会聚光路偏振干涉面型偏差检测装置，其特征在于，所述偏振分束器由两块等边直角棱镜的斜面胶合而成，其中一块等边直角棱镜的胶合面镀有偏振分光介质膜。

3.一种基于偏振干涉技术面型偏差检测方法，利用如权利要求2所述的一种基于偏振干涉技术面型偏差检测装置，其特征在于，包括以下步骤：

（1）旋转起偏器光轴方向，使分束器反射和透射的两束光光强相同；调节光学样板，使光学样板的光轴与透射光束的中心轴线重合，且光学样板的曲率中心与聚光标准镜的后焦点重合；调节待测镜片，使光学样板的光轴与反射光束的中心轴线重合；分别旋转光学样板和待测镜片前的1/4波片的光轴方向，使反射回接收屏的两束光的光强最大；旋转检偏器光轴方向，使两束光的光强相同;

（2）在光束的中心轴线方向前后移动待测镜片，观察干涉条纹，当干涉条纹数目最少时，采集干涉图样;

（3）将观测到的干涉条纹的图像特征及用球径仪等仪器精确测量的光学样板的基准面的曲率半径经过分析计算，就可以得到待测透镜的待测面的半径偏差、象散偏差、局部偏差;

（4）用球径仪等仪器精确测量的光学样板的基准面的曲率半径，经过计算可以得到待测透镜的待测面的曲率半径。