CN105806260A - 基于会聚光路同步移相偏振干涉技术的面型偏差检测方法 - Google Patents
基于会聚光路同步移相偏振干涉技术的面型偏差检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于会聚光路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下而上依次固定有聚光标准镜、激光扩束镜和激光光源，在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；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，可使两相干光束有近似相等的光强，条纹亮度可调节，能抑制杂散光等光学噪声的影响，大大提高镜片检测的精度，使用方便，并可实现在接收屏上接收四幅依次移相90°的干涉图，有助于在线加工人员修整光圈。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于会聚光路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镜片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镜片的曲率半径。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，提供了一种基于会聚光路同步移相偏振干涉技术面型偏差检测方法，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。
本发明的具体实施方案是：一种基于会聚光路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下而上依次固定有聚光标准镜、激光扩束镜和激光光源，在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；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；偏振分束器正上方自下而上依次固定有第二1/4波片和光学样板；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；
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，聚光标准镜将整形后的光束会聚在光学样板的曲率中心，经过聚光标准镜的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，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，在接收屏处观察到对应的干涉条纹；
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，则可求得待测镜片的基准面的曲率半径Rt为：。
进一步的，在步骤S2中，调节光学样板，使光学样板的光轴与偏振分束器的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偏振分束器的反射光束的中心轴线重合；
进一步的，在步骤S3，分别旋转第一1/4波片、第二1/4波片和第三1/4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（即透射光束和反射光束）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（即透射光束和反射光束）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、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是偏振分束器中直角棱镜的尺寸，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。
4、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。
5、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为平行光束的示意图
图2为会聚光束的示意图。
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.第三1/4波片，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,12.二维正交光栅，13.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1~4所示，本发明实施例的一种基于会聚光路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:采用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），在偏振分束器1正下方自下而上依次固定有聚光标准镜5、激光扩束镜6和激光光源7，在偏振分束器1和激光光源7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；偏振分束器1正左方自右向左依次固定有第三1/4波片8、二维正交光栅12、检偏器阵列13和接收屏9；偏振分束器1正上方自下而上依次固定有第二1/4波片10和光学样板11；激光扩束镜6的中心轴线与光学样板11的的光轴相交于偏振分束器1的胶合面中心，接收屏9垂直于光学样板11的光轴；
步骤S2：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，经过第三1/4波片8、二维正交光栅12、检偏器阵列13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，经过第三1/4波片8、二维正交光栅12、检偏器阵列13射向接收屏9，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9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，并且测量光学样板的基准面11a的曲率半径，设定光学样板11曲率半径为Rr，光学样板11的直径为D，光圈数为N，则光学样板11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11曲率半径为Rr，则可求得待测镜片的基准面3a的曲率半径Rt为：
。
在本实施例中，在步骤S2中，调节光学样板11，使光学样板11的光轴与偏振分束器1的透射光束的中心轴线重合，且光学样板11的曲率中心与聚光标准镜5的后焦点重合；调节待测镜片3，使光学样板11的光轴与偏振分束器1的反射光束的中心轴线重合；
在本实施例中，在步骤S3，分别旋转第一1/4波片2、第二1/4波片10和第三1/4波片8的光轴方向，使反射回二维正交光栅12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12和检偏器阵列13，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9上的干涉条纹。
在本实施例中，在步骤S5中，光学样板11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12作为分光元件。
在本实施例中，所述检偏器阵列13由四片材料相同且偏振方向依次成45°的偏振片组成。
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。
本发明中采用的会聚光路同步移相偏振干涉面型偏差检测方法，正下方的激光扩束镜6、激光光源7、聚光标准镜、4起偏器，正上方的第二1/4波片10、光学样板11，正右方的第一1/4波片2、待测镜片3和正左方的第三1/4波片8、二维正交光栅12、检偏器阵列13、接收屏9是以图3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。
综上所述，本发明提供的一种基于会聚光路同步移相偏振干涉技术面型偏差检测方法，采用同步移相和偏振干涉的方法，可使两相干光束有近似相等的光强，条纹亮度可调节，能抑制杂散光等光学噪声的影响，大大提高镜片检测的精度，使用方便，并可实现在接收屏上接收四幅依次移相90°的干涉图，有助于在线加工人员修整光圈，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。
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)
1.一种基于会聚光路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下而上依次固定有聚光标准镜、激光扩束镜和激光光源，在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；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；偏振分束器正上方自下而上依次固定有第二1/4波片和光学样板；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；
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，聚光标准镜将整形后的光束会聚在光学样板的曲率中心，经过聚光标准镜的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，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，在接收屏处观察到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，则可求得待测镜片的基准面的曲率半径Rt为：。
2.根据权利要求1所述的基于会聚光路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，调节光学样板，使光学样板的光轴与偏振分束器的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偏振分束器的反射光束的中心轴线重合。
3.根据权利要求1所述的基于会聚光路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，分别旋转第一1/4波片、第二1/4波片和第三1/4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所述的基于会聚光路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所述的基于会聚光路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所述的基于会聚光路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所述的基于会聚光路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所述的基于会聚光路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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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160727 |