CN108332686B - 一种锥形镜锥角的检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种锥形镜的锥角检测装置，包括干涉仪，球面标准镜，五维调整架，精密移动台，精密位移测量传感器；从所述的干涉仪输出的平面波方向依次是同光轴的球面标准镜，待测锥形镜和精密位移测量传感器；所述待测锥形镜固定在所述五维调整架上，该五维调整架置于所述精密移动台上，该精密位移测量传感器测量所述的精密移动台的移动量，通过移动锥形镜得到两次干涉结果，通过相位差计算出待测锥形镜的锥角。本发明具有装置结构简单，操作方便，测量精度高，通用性高的优点。

Description

一种锥形镜锥角的检测装置和方法

技术领域

本发明涉及光学检测领域，尤其是一种锥形镜的锥角检测装置及其检测方法。

背景技术

锥形镜是一种旋转对称的光学元件，由于其独特的光学性质而被广泛应用于各领域，例如产生环形空心激光束。然而高精度的锥形镜检测一直是一个难题，它限制了锥形镜的应用。

传统的测量方法中，三坐标测量机无法测量到内锥孔且测量速度慢。

在先技术[1](M.de Angelis,S.De Nicola,P.Ferraro,et al.“Test of aconical lens using a two-beam shearing interferometer”,Opt Laser Eng.39:155-163(2003).)利用剪切干涉技术测量锥镜，计算过程复杂。且目前尚没有结构及操作简单，不需要分离标准样品圆度偏差的高精度精密转台轴向与径向跳动同时测量的测量装置及测量方法。

在先技术[2](Jun Ma,Christof Pruss,Matthias,et al.“Systematic analysisof the measuring of cone angles using high line density computer-generatedholograms”,OpticalEngineering.50(5):05580-1-05880-9(2011).)采用计算全息法测量锥镜，需要制作补偿镜，难度高且成本大。

在先技术[3](袁乔，曾爱军，张善华，黄惠杰，轴锥镜锥角的检测装置和检测方法，CN 201310198924,2013)给出一种通过几何光学检测轴锥镜锥角的方法，需要确定获得的光斑大小，且测量元器件较多，精度受到限制。

在先技术[4](王莹，曾爱军，张运波，顾帅妍，黄惠杰，锥形镜锥角测量装置及测量方法，CN 201410779061,2014)需要通过调整反射镜至获得一条干涉条纹。相对移动较多且获得条纹的不确定度大，精度受到限制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种结构及操作简单、高精度的锥形镜锥角的测量装置及测量方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种锥形镜的锥角检测装置，其特征在于包括干涉仪，球面标准镜，五维调整架，精密移动台，精密位移测量传感器；从所述的干涉仪输出的平面波方向依次是同光轴的球面标准镜，待测锥形镜和精密位移测量传感器；所述待测锥形镜固定在所述五维调整架上，该五维调整架置于所述精密移动台上，该精密位移测量传感器测量所述的精密移动台的移动量。

所述的干涉仪是Fizeau干涉仪，或泰曼格林干涉仪，或点衍射干涉仪。

所述的精密位移测量传感器是接触式或非接触式精密位移测量传感器。

所述的精密位移测量传感器是位移测量干涉仪，或电容传感器，或光栅尺。

利用上述的锥角测量装置进行锥形镜的锥角检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

①在干涉仪输出的平面波光轴上取N个测量点，每个测量点的位置为w_j，其中j＝1，2,3,…,N；且任意两个相邻测量点间隔Δw需要满足令Δw·(1-cosα₀)＜π，式中α₀是对待测锥形镜锥角的估计值；标定精密位移台在第i(i＝2,3,…,N)个测量点位置的XY倾斜角变化Δθ_xi、Δθ_yi，和XY平移量变化Δδ_xi、Δδ_yi；

②将精密位移台移动至w₁位置，调整五维调整架，使所述的球面标准镜、待测锥形镜和精密位移测量传感器同光轴，干涉仪进行面形测量，得到相位分布测量结果P₁₀，拟合得到相位分布测量结果P₁₀的第2,3项泽尼克系数C_1，2、C_1，3；然后将精密位移台移动至w_i(i＝2,3,…,N)位置中的一个或多个位置w_k，获得圆环形干涉条纹，干涉仪进行面形测量，得到相位分布测量结果P_k0，并拟合得到相位分布测量结果P_k0的第2,3项泽尼克系数C_k，2、C_k，3；采用直接求解法或最小二乘法解下面的方程组，得到w₁位置的倾斜量和平移量θ_x1、θ_y1、δ_x1、δ_y1：

式中，R_i是和锥形镜相切球面波的曲率半径，可近似为w_i；

③将精密位移台再次移动至w₁位置，通过五维调整架调整待测锥形镜平移量-δ_x1、-δ_y1和倾斜量-θ_x1、-θ_y1，使待测锥形镜的光轴与球面标准镜的光轴对齐；干涉仪进行面形测量，得到相位分布测量结果P₁，然后依次使精密位移台移动至w_i(i＝2,3,…,N)位置，并在每个位置干涉仪进行面形测量，并补偿精密位移台在该位置的倾斜角变化Δθ_xi、Δθ_yi，和XY平移量变化Δδ_xi、Δδ_yi所产生的相位分布误差，得到相位分布测量结果P_i；

④对于相位分布测量结果P_j，其中j＝1，2,3,…,N；取干涉条纹中心环带每个像素的相位在N个测量位置的相位测量结果，进行相位解包裹，得到中心环带每个像素的像素相位测量结果的变化q_j，任意取N个位置中的m，n两个位置的相位分布结果q_m，q_n，通过下式求解得到待测锥形镜的锥角大小：

式中，λ是干涉仪光波波长，Δq＝q_n-q_m是两次测量的相位分布之间的差值。

所述的标定精密位移台在第i个测量点位置的XY平移量变化Δδ_xi、Δδ_yi的方法采用双频激光干涉仪、或点测量传感器。

所述的标定精密位移台在第i个测量点位置的倾斜角变化Δθ_xi、Δθ_yi的方法采用双频激光干涉仪、或自准直仪,或多个点测量传感器。

与在先技术相比，本发明测量装置结构简单，所需的测量元器件少，操作容易。测量到的数据样本多，精度高。可以检测凹锥镜和凸锥镜的锥角，通用性高。

附图说明

图1为本发明锥形镜的锥角检测装置检测凹面锥形镜的实施例图；

图2为本发明锥形镜的锥角检测装置检测凹面锥形镜的光路图；

图3为本发明锥形镜的锥角检测装置检测凸面锥形镜的实施例图；

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明，但不以此实施例限制本发明的保护范围。

图1为本发明锥形镜的锥角检测装置检测凹面锥形镜锥角的实施例图，由干涉仪1，球面标准镜2，五维调整架4，精密移动台6，精密位移测量传感器5组成。上述仪器的位置关系如下：从干涉仪1输出的平面波方向依次是球面标准镜2，待测锥形镜3，精密位移测量传感器5。其中，待测锥形镜固定在五维调整架4上且中心和球面标准镜2中心对齐，五维调整架4置于精密移动台6上，精密位移测量传感器5测量所述的精密移动台的移动量。

所述的干涉仪是Fizeau干涉仪，或泰曼格林干涉仪，或点衍射干涉仪；

所述的精密位移测量传感器是位移测量干涉仪，或电容传感器，或光栅尺；所述的精密位移测量传感器是接触式或非接触式精密位移测量传感器；

利用所述的锥角测量装置进行锥形镜的锥角检测方法，包括以下步骤：

(1)在所述的精密移动台上取N个相互接近的测量点，每个测量点的位置为w_j，其中j＝1，2,3,…,N；标定精密位移台在第i(i＝2,3,…,N)个测量点位置的倾斜角变化Δθ_xi、Δθ_yi，和XY平移量变化Δδ_xi、Δδ_yi；

(2)将精密位移台移动至w₁位置，调整五维调整架使所述的锥角检测装置各个部件基本对齐，使干涉仪测得一个圆环形干涉条纹，干涉仪进行面形测量，得到相位分布测量结果P₁₀，拟合得到相位分布测量结果P₁₀的第2,3项泽尼克系数C_1，2、C_1，3；然后将精密位移台移动至w_i(i＝2,3,…,N)位置中的一个或多个位置w_k，获得圆环形干涉条纹，干涉仪进行面形测量，得到相位分布测量结果P_k0，并拟合得到相位分布测量结果P_k0的第2,3项泽尼克系数C_k，2、C_k，3；采用直接求解法或最小二乘法解下面的方程组，得到w₁位置的倾斜量和平移量θ_x1、θ_y1、δ_x1、δ_y1：

(3)将精密位移台移动至w₁位置，通过五维调整架调整锥形镜平移量-δ_x1、-δ_y1和倾斜量-θ_x1、-θ_y1并，使待测锥形镜的旋转对称轴与球面标准镜的光轴对齐；干涉仪测得一个圆环形干涉条纹，干涉仪进行面形测量，得到相位分布测量结果P₁，然后依次使精密位移台移动至w_i(i＝2,3,…,N)位置，并在每个位置干涉仪进行面形测量，并补偿精密位移台在该位置的倾斜角变化Δθ_xi、Δθ_yi，和XY平移量变化Δδ_xi、Δδ_yi所产生的相位分布误差，得到相位分布测量结果P_i；

对于相位分布P_j，其中j＝1，2,3,…,N；取中心环带每个像素的相位在N个测量位置的相位测量结果，进行相位解包裹，得到中心环带每个像素的像素相位测量结果的变化q_j，任意取N个位置中的m，n两个位置的相位分布结果q_m，q_n，通过下式求解得到锥角的大小：

具有装置结构简单，操作方便，测量精度高的优点。

图2为本发明锥形镜的锥角检测装置检测凹面锥形镜的光路图。本发明的测量原理是当检测光波为球面波时，只有垂直入射到待测锥形镜面上的光线能返回并与参考光形成干涉条纹，该入射光线与光轴的夹角为α，锥形镜的锥角记为β，β＝π-2α。由图可见，探测波面与参考波面的光程差q和球面波中心与锥形镜中心的距离w有如下关系：

q＝w-w·cosα，

由上式可以计算出待测锥形镜的锥角。

实施例2

图3为本发明锥形镜的锥角检测装置检测凸面锥形镜的原理图，由图可见，实施例2的待测锥形镜是凸面锥形镜，测量凸面锥形镜锥角的步骤与测量凹面锥形镜锥角的步骤相同。

Claims (7)

1.一种锥形镜的锥角检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

①在干涉仪(1)输出的平面波光轴上取N个测量点，每个测量点的位置为w_j，其中j＝1，2,3,…,N；且任意两个相邻测量点间隔Δw需要满足令Δw·(1-cosα₀)＜π，式中α₀是对待测锥形镜锥角的估计值；标定精密位移台在第i(i＝2,3,…,N)个测量点位置的XY倾斜角变化Δθ_xi、Δθ_yi，和XY平移量变化Δδ_xi、Δδ_yi；

②将精密位移台(6)移动至w₁位置，调整五维调整架(4)，使球面标准镜(2)、待测锥形镜(3)和精密位移测量传感器(5)同光轴，干涉仪进行面形测量，得到相位分布测量结果P₁₀，拟合得到相位分布测量结果P₁₀的第2,3项泽尼克系数C_1，2、C_1，3；然后将精密位移台移动至w_i(i＝2,3,…,N)位置中的一个或多个位置w_k，获得圆环形干涉条纹，干涉仪进行面形测量，得到相位分布测量结果P_k0，并拟合得到相位分布测量结果P_k0的第2,3项泽尼克系数C_k，2、C_k，3；采用直接求解法或最小二乘法解下面的方程组，得到w₁位置的倾斜量和平移量θ_x1、θ_y1、δ_x1、δ_y1：

式中，R_i是和锥形镜相切球面波的曲率半径，近似为w_i；

③将精密位移台(6)再次移动至w₁位置，通过五维调整架(4)调整待测锥形镜(3)平移量-δ_x1、-δ_y1和倾斜量-θ_x1、-θ_y1，使待测锥形镜的光轴与球面标准镜的光轴对齐；干涉仪进行面形测量，得到相位分布测量结果P₁，然后依次使精密位移台移动至w_i(i＝2,3,…,N)位置，并在每个位置干涉仪进行面形测量，并补偿精密位移台在该位置的倾斜角变化Δθ_xi、Δθ_yi，和XY平移量变化Δδ_xi、Δδ_yi所产生的相位分布误差，得到相位分布测量结果P_i；

④对于相位分布测量结果P_j，其中j＝1，2,3,…,N；取干涉条纹中心环带每个像素的相位在N个测量位置的相位测量结果，进行相位解包裹，得到中心环带每个像素的像素相位测量结果的变化q_j，任意取N个位置中的m，n两个位置的相位分布结果q_m，q_n，通过下式求解得到待测锥形镜(3)的锥角大小：

式中，λ是干涉仪光波波长，Δq＝q_n-q_m是两次测量的相位分布之间的差值。

2.利用权利要求1所述的锥形镜的锥角检测方法，其特征在于所述的标定精密位移台在第i个测量点位置的XY平移量变化Δδ_xi、Δδ_yi的方法采用双频激光干涉仪、或点测量传感器。

3.利用权利要求1所述的锥形镜的锥角检测方法，其特征在于所述的标定精密位移台在第i个测量点位置的倾斜角变化Δθ_xi、Δθ_yi的方法采用双频激光干涉仪、或自准直仪,或多个点测量传感器。

4.一种实现权利要求1-3任一所述的锥形镜的锥角检测方法的锥角检测装置，其特征在于包括干涉仪(1)，球面标准镜(2)，五维调整架(4)，精密移动台(6)，精密位移测量传感器(5)；

从所述的干涉仪(1)输出的平面波方向依次是同光轴的球面标准镜(2)，待测锥形镜(3)和精密位移测量传感器(5)；

所述待测锥形镜固定在所述五维调整架(4)上，该五维调整架(4)置于所述精密移动台(6)上，该精密位移测量传感器(5)测量所述的精密移动台(6)的移动量。

5.根据权利要求4所述的锥角检测装置，其特征在于，所述的干涉仪是Fizeau干涉仪，或泰曼格林干涉仪，或点衍射干涉仪。

6.根据权利要求4所述的锥角检测装置，其特征在于，所述的精密位移测量传感器是接触式或非接触式精密位移测量传感器。

7.根据权利要求4或6所述的锥角检测装置，其特征在于，所述的精密位移测量传感器是位移测量干涉仪，或电容传感器，或光栅尺。