CN105806216A - 一种基于同步移相偏振干涉技术面型偏差检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于同步移相偏振干涉技术面型偏差检测方法，在偏振分束器正下方自上而下依次设置有激光扩束镜和激光光源，偏振分束器和激光光源之间还设置有起偏器；在偏振分束器正右方自左向右依次固定有第一1/4波片和待测镜片，在偏振分束器正左方自右向左依次固定有第三1/4波片、二维正交光栅、检偏器阵列和接收屏，偏振分束器正上方的自下而上依次固定有第二1/4波片和光学样板，采用同步移相和偏振干涉的方法，使两相干光束有近似相等的光强，并可实现在接收屏上接收四幅依次移相90°的干涉图，通过四幅干涉图可以判断出高低光圈走向的趋势，有助于在线加工人员修整光圈，提高镜片检测的精度，消除背景杂散光，提高干涉条纹的对比度。

Description

一种基于同步移相偏振干涉技术面型偏差检测方法
技术领域
本发明涉及一种基于同步移相偏振干涉技术面型偏差检测方法，特别适用于无损检验球面镜片曲率半径偏差的检测。
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zygo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
本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种基于同步移相偏振干涉技术面型偏差检测方法，可以提高镜片检测的精度。
本发明的具体实施方案是：一种基于同步移相偏振干涉技术面型偏差检测方法，包括以下步骤：
步骤S1：在偏振分束器正下方自上而下依次设置有激光扩束镜和激光光源，偏振分束器和激光光源之间还设置有起偏器；在偏振分束器正右方自左向右依次固定有第一1/4波片和待测镜片，在偏振分束器正左方自右向左依次固定有第三1/4波片、二维正交光栅、检偏器阵列和接收屏，偏振分束器正上方的自下而上依次固定有第二1/4波片和光学样板，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的中心，接收屏垂直于光学样板的光轴；
步骤S2：从激光光源出射的光束入射到激光扩束镜，激光扩束镜将光束直径扩大，并调整为平行光，光束进入起偏器成为线偏振光，之后垂直于偏振分束器下方平面入射，在偏振分束器的胶合面分成一束透射光束和一束反射光束；
步骤S3:透射光束以垂直于偏振分束器的上方平面方向经过第二1/4波片，射向光学样板的基准面，经反射后沿原光路返回，再次经过第二1/4波片，接着经过偏振分束器的胶合面反射以垂直于左方平面的方向，依次经过第三1/4波片、二维正交光栅、检偏器阵列射向接收屏，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，射向待测镜片的基准面，经反射后沿原光路返回，再次经过第一1/4波片后，透射过偏振分束器的胶合面以垂直于左方平面的方向，依次经过第三1/4波片、二维正交光栅、检偏器阵列射向接收屏，形成测试波前；
步骤S4：参考波前与测试波前汇合后形成干涉，沿待测镜片光轴方向前后调节待测镜片，在接收屏处观察对应形成的干涉条纹；
步骤S5：采集干涉条纹数最少的干涉图样，处理得到的干涉图样，从而得到待测镜片基准面的光圈数，并且测量光学样板的基准面的曲率半径，设定光学样板曲率半径为Rr，光学样板的直径为D，光圈数为N，则光学样板与待测镜片基准面的曲率半径之差△R与光圈数N的关系式为：；
式中λ为检测波长，由上式可知，若已知光学样板曲率半径为Rr，则可求得待测镜片基准面3a的曲率半径Rt为：。
进一步的，在步骤S2中，通过旋转起偏器光轴方向，使反射光束和透射光束的两束光光强相同；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；调节待测镜片，使待测镜片的光轴与反射光束的中心轴线重合。
进一步的，在步骤S3中，分别旋转第一1/4波片、第二1/4波片的光轴方向，使反射回二维正交光栅的透射光束和反射光束的光强达到最大阈值，透射光束和反射光束依次经二维正交光栅和检偏器阵列，得到四幅依次移相90°的干涉图。
进一步的，在步骤S4中，沿待测镜片光轴方向前后等间隔调节待测镜片，并记录每次接收屏上的干涉条纹。
进一步的，在步骤S5中，光学样板的基准面的曲率半径采用球径仪进行检测。
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。
进一步的，所述二维正交光栅作为分光元件。
进一步的，所述检偏器阵列由四片材料相同且偏振方向依次成45°的偏振片组成。
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、采用同步移相的方法，使通过二维正交光栅的两相干光束实现等光强分光，分光后通过检偏器阵列可得到四幅依次移相90°的干涉图，并可实现在接收屏上接收四幅依次移相90°的干涉图，通过四幅干涉图可以判断出高低光圈走向的趋势，有助于在线加工人员修整光圈，二维正交光栅与检偏器阵列的组合能够有效的消除随机误差的影响，消除非检测面干涉条纹对检测面的影响，得到对比度高的干涉条纹。
3、不用长导轨，使仪器小型化，而且可以快速获取待测镜片的基准面的曲率半径。
附图说明
图1为本发明实施例的光路原理图。
图中1.偏振分束器，2.第一1/4波片，3.待测镜片，3a.待测镜片的基准面，4.起偏器，5.激光扩束镜，6.激光光源，7.第三1/4波片，8.接收屏，9.第二1/4波片，10.光学样板，10a.光学样板10的基准面，11.二维正交光栅，12.检偏器阵列。
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所示，本发明实施例提供一种基于同步移相偏振干涉技术面型偏差检测方法，包括以下步骤：
步骤S1：在偏振分束器1正下方自上而下依次设置有激光扩束镜5和激光光源6，偏振分束器1和激光光源6之间还设置有起偏器4；在偏振分束器1正右方自左向右依次固定有第一1/4波片2和待测镜片3，在偏振分束器1正左方自右向左依次固定有第三1/4波片7、二维正交光栅11、检偏器阵列12和接收屏8，偏振分束器1正上方的自下而上依次固定有第二1/4波片9和光学样板10，所述激光扩束镜5的中心轴线与光学样板10的的光轴相交于偏振分束器1的胶合面的中心，接收屏8垂直于光学样板10的光轴；
步骤S2：从激光光源6出射的光束入射到激光扩束镜激光扩束镜5，激光扩束镜激光扩束镜5将光束直径扩大，并调整为平行光，光束进入起偏器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和一束反射光束；
步骤S3：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9，射向光学样板10的基准面10a，经反射后沿原光路返回，再次经过第二1/4波片9，接着经过胶合面反射以垂直于左方平面的方向，经过第三1/4波片7、二维正交光栅11、检偏器阵列12射向接收屏8，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后，透射过胶合面以垂直于左方平面的方向，经过第三1/4波片7、二维正交光栅11、检偏器阵列12射向接收屏8，形成测试波前；
步骤S4：参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8处可以观察到干涉条纹；
步骤S5：采集干涉条纹数最少的干涉图样，处理得到的干涉图样，从而得到待测镜片基准面3a的光圈数，并且测量光学样板10的基准面的曲率半径，设定光学样板10曲率半径为Rr，光学样板10的直径为D，光圈数为N，则光学样板10与待测镜片基准面3a的曲率半径之差△R与光圈数N的关系式为：；
式中λ为检测波长，由上式可知，若已知光学样板10曲率半径为Rr，则可求得待测镜片3基准面的曲率半径Rt为：。
在本实施例中，在步骤S2中，通过旋转起偏器4光轴方向，使反射光束和透射光束的两束光光强相同；调节光学样板10，使光学样板10的光轴与透射光束的中心轴线重合；调节待测镜片3，使待测镜片3的光轴与反射光束的中心轴线重合。
在本实施例中，在步骤S3中，分别旋转第一1/4波片2、第二1/4波片9的光轴方向，使反射回二维正交光栅11的透射光束和反射光束的光强达到最大阈值，透射光束和反射光束依次经二维正交光栅11和检偏器阵列12，得到四幅依次移相90°的干涉图。
在本实施例中，在步骤S4中，沿待测镜片3光轴方向前后等间隔调节待测镜片3，并记录每次接收屏上的干涉条纹。
在本实施例中，在步骤S5中，光学样板10的基准面的曲率半径采用球径仪进行检测。
在本实施例中，所述偏振分束器1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。
在本实施例中，所述二维正交光栅11作为分光元件。
在本实施例中，所述检偏器阵列12由四片材料相同且偏振方向依次成45°的偏振片组成。
在本实施例中，正下方的激光扩束镜5、检测激光光源6、起偏器4和正上方的第二1/4波片9、光学样板10位置可以对换。
在本实施例中，正右方的有第一1/4波片2、待测镜片3和正左方的第三1/4波片7、二维正交光栅11、检偏器阵列12、接收屏8位置可以对换。
还可以通过在光学样板10上安装压电陶瓷移相器，驱动光学样板10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。
本发明中采用的一种基于同步移相偏振干涉技术面型偏差检测方法，正下方的激光扩束镜5、激光光源6、起偏器4，正上方的第二1/4波片9、光学样板10，正右方的第一1/4波片2、待测镜片3，正左方的第三1/4波片7、二维正交光栅11、检偏器阵列12、接收屏8的位置是以图1参照说明，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。
综上所述，本发明提供的一种基于同步移相偏振干涉技术面型偏差检测方法，有助于在线加工人员修整光圈，能够抑制杂散光等光学噪声的影响，消除非检测面干涉条纹对检测面的影响，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。
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 (8)

1.一种基于同步移相偏振干涉技术面型偏差检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在偏振分束器正下方自上而下依次设置有激光扩束镜和激光光源，偏振分束器和激光光源之间还设置有起偏器；在偏振分束器正右方自左向右依次固定有第一1/4波片和待测镜片，在偏振分束器正左方自右向左依次固定有第三1/4波片、二维正交光栅、检偏器阵列和接收屏，偏振分束器正上方的自下而上依次固定有第二1/4波片和光学样板，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的中心，接收屏垂直于光学样板的光轴；
步骤S2：从激光光源出射的光束入射到激光扩束镜，激光扩束镜将光束直径扩大，并调整为平行光，光束进入起偏器成为线偏振光，之后垂直于偏振分束器下方平面入射，在偏振分束器的胶合面分成一束透射光束和一束反射光束；
步骤S3:透射光束以垂直于偏振分束器的上方平面方向经过第二1/4波片，射向光学样板的基准面，经反射后沿原光路返回，再次经过第二1/4波片，接着经过偏振分束器的胶合面反射以垂直于左方平面的方向，依次经过第三1/4波片、二维正交光栅、检偏器阵列射向接收屏，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，射向待测镜片的基准面，经反射后沿原光路返回，再次经过第一1/4波片后，透射过偏振分束器的胶合面以垂直于左方平面的方向，依次经过第三1/4波片、二维正交光栅、检偏器阵列射向接收屏，形成测试波前；
步骤S4：参考波前与测试波前汇合后形成干涉，沿待测镜片光轴方向前后调节待测镜片，在接收屏处观察对应形成的干涉条纹；
步骤S5：采集干涉条纹数最少的干涉图样，处理得到的干涉图样，从而得到待测镜片基准面的光圈数，并且测量光学样板的基准面的曲率半径，设定光学样板曲率半径为Rr，光学样板的直径为D，光圈数为N，则光学样板与待测镜片基准面的曲率半径之差△R与光圈数N的关系式为：；
式中λ为检测波长，由上式可知，若已知光学样板曲率半径为Rr，则可求得待测面的曲率半径Rt为：。
2.根据权利要求1所述的一种基于同步移相偏振干涉技术面型偏差检测方法，其特征在于；在步骤S2中，通过旋转起偏器光轴方向，使反射光束和透射光束的两束光光强相同；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；调节待测镜片，使待测镜片的光轴与反射光束的中心轴线重合。
3.根据权利要求1所述的一种基于同步移相偏振干涉技术面型偏差检测方法，其特征在于；在步骤S3中，分别旋转第一1/4波片、第二1/4波片的光轴方向，使反射回二维正交光栅的透射光束和反射光束的光强达到最大阈值，透射光束和反射光束依次经二维正交光栅和检偏器阵列，得到四幅依次移相90°的干涉图。
4.根据权利要求1所述的一种基于同步移相偏振干涉技术面型偏差检测方法，其特征在于；在步骤S4中，沿待测镜片光轴方向前后等间隔调节待测镜片，并记录每次接收屏上的干涉条纹。
5.根据权利要求1所述的一种基于同步移相偏振干涉技术面型偏差检测方法，其特征在于；在步骤S5中，光学样板的基准面的曲率半径采用球径仪进行检测。
6.根据权利要求1所述的一种基于同步移相偏振干涉技术面型偏差检测方法，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。
7.根据权利要求1所述的一种基于同步移相偏振干涉技术面型偏差检测方法，其特征在于：所述二维正交光栅作为分光元件。
8.根据权利要求1所述的一种基于同步移相偏振干涉技术面型偏差检测方法，其特征在于；所述检偏器阵列由四片材料相同且偏振方向依次成45°的偏振片组成。
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