CN109443246A - 基于无衍射光莫尔条纹的轴锥镜锥角检测装置及方法 - Google Patents

基于无衍射光莫尔条纹的轴锥镜锥角检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于无衍射光莫尔条纹的轴锥镜锥角检测装置及方法，检测装置包括光源，沿光源出射光束方向依次设置有滤光片、双孔屏、轴锥镜和图像传感器，滤光片平行置于遮光板内，轴锥镜的锥面朝向图像传感器。光源出射的光束经滤光片滤光投射到双孔屏上，光束经双孔屏分光形成两路光束从轴锥镜平面入射，每路光束经轴锥镜后以其轴线为基准汇聚到轴线不同点上，形成无衍射光，图像传感器采集所述两路无衍射光干涉图，根据所述两路无衍射光在轴锥镜后方形成的两个同心圆环的中心位置，以及两个同心圆环相互重叠干涉形成的莫尔条纹数量计算出轴锥镜的轴锥角。

Description

基于无衍射光莫尔条纹的轴锥镜锥角检测装置及方法
技术领域
本发明涉及光学检测领域，特别是基于无衍射光莫尔条纹的轴锥镜锥角检测装置及方法。
背景技术
轴锥镜是一种旋转对称角锥形光学元件，由于它长的焦深以及窄的横向宽度，被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。在投影光刻机中，轴锥镜可以将传统照明模式转换成环形照明模式，是其照明系统的核心元器件之一,加工过程中需要精确地检测其锥角大小。
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).)利用两光束剪切干涉技术检测衍射锥形透镜，用于测量由平面和透镜的锥形面形成的角度。此技术是通过待测锥形透镜实现两个相干面波前传输的一种离轴干涉检测方法。该方法对大角度轴锥镜的测量是无效的。
在先技术[2](Jun Ma,Christof Pruss,Matthias,et al.“Systematic analysisof the measurement of cone angles using high line density computer-generatedholograms”,Optical Engineering.50(5):05580-1-05880-9(2011).)，给出了锥角测量的实验研究法。此方法首先需要制作一个高线密度的计算全息图，其次对干涉仪进行校准，还需要把待测轴锥镜进行轴向移动以及圆周旋转。
在先技术[3](袁乔.轴锥镜锥角的检测方法[P].中国专利：103292743 B.2013-05-24)提出了一种锥角测量的方法，通过检测光束经轴锥镜在聚焦透镜像方焦面处光斑大小，进而计算锥角大小。但该方法无法对小角度轴锥镜进行测量。
先技术[4](王莹.基于双波长光源的轴锥镜锥角检测装置及检测方法[P].中国专利：103994734 B.2014-05-22)描述了一种双波长光源测量方法，利用不同波长折射率的差异性测量锥角角度。但忽略了不同波长对成像透镜焦点距离的影响，导致测量结果的不精准。
发明内容
本发明一方面的目的在于提供一种轴锥镜锥角检测装置，包括光源，沿光源出射光束方向依次设置有滤光片、双孔屏、轴锥镜和图像传感器，滤光片平行置于遮光板内，轴锥镜的锥面朝向图像传感器。光源出射的光束经滤光片滤光投射到双孔屏上，光束经双孔屏分光形成两路光束从轴锥镜平面入射，每路光束经轴锥镜后以其轴线为基准汇聚到轴线不同点上，形成无衍射光，图像传感器采集所述两路无衍射光干涉图，根据所述两路无衍射光在轴锥镜后方形成的两个同心圆环的中心位置，以及两个同心圆环相互重叠干涉形成的莫尔条纹数量计算出轴锥镜的轴锥角θ。
本发明另一方面的目的在于提供一种轴锥镜锥角检测方法，包括：
沿光源出射光束方向依次设置滤光片、双孔屏、轴锥镜和图像传感器，滤光片平行置于遮光板内，轴锥镜的锥面朝向图像传感器；
启动光源，光源出射的光束经滤光片滤光投射到双孔屏上，所述光束经双孔屏分光形成两路光束，调节轴锥镜位置，使所述两路光束从轴锥镜平面入射，每路光束经轴锥镜后以其轴线为基准汇聚到轴线不同点上，形成无衍射光；
图像传感器采集所述两路无衍射光干涉图，记录所述两路无衍射光在轴锥镜后方形成的两个同心圆环的中心位置，计算所述两个同心圆环中心距离D，记录所述两个同心圆环相互重叠干涉形成的莫尔条纹数量N，并根据公式(1)求解轴锥镜轴锥角θ，
式(1)中，n为轴锥镜(5)折射率，λ为所述滤光片允许透光频率。
本发明结合莫尔条纹计量放大特性以及其可以计数的特点，提高轴锥镜锥角测量精度的同时简化轴锥镜锥角的计算过程，可以实现任意角度锥角测量。
附图说明
图1是本发明基于无衍射光莫尔条纹的轴锥镜锥角检测装置的结构原理图。
图2是本发明中两路无衍射光相互干涉形成的莫尔条纹图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1示出了基于无衍射光莫尔条纹的轴锥镜锥角检测装置的结构原理图，所述检测装置包括光源1，沿光源1出射光束方向依次设置有滤光片2、双孔屏4、轴锥镜5和图像传感器6，轴锥镜5的锥面朝向图像传感器6，轴锥镜5以其中轴线为轴心可以自由转动。光源1可采用白光光源；用于透过固定波长的滤光片2整体平行置于遮光板3内，遮光板3用于遮挡杂光；双孔屏4用于分光；轴锥镜5即为待测锥角的轴锥镜，用于生成无衍射光。光源1出射的光束经滤光片2滤光投射到双孔屏4上，光束经双孔屏4分光形成两路光束从轴锥镜5平面入射，每路光束经轴锥镜5后以其轴线为基准汇聚到轴线不同点上，形成无衍射光，图像传感器6采集所述两路无衍射光干涉图，根据所述两路无衍射光在轴锥镜5后方形成的两个同心圆环的中心位置，以及两个同心圆环相互重叠干涉形成的莫尔条纹数量计算出轴锥镜5的轴锥角θ。
利用图1所示的轴锥镜锥角检测装置对轴锥镜锥角进行检测的方法如下：沿光源1出射光束方向依次设置滤光片2、双孔屏4、轴锥镜5和图像传感器6，滤光片2平行置于遮光板3内，轴锥镜5的锥面朝向光束前进方向(即朝向图像传感器6)。优选地，光源1、滤光片2、双孔屏4、轴锥镜5、像传感器6共轴放置，其中图像传感器6沿轴线可以进行平移。
启动光源1，光源1出射的光束经滤光片2滤光投射到双孔屏4上，所述光束经双孔屏4分光形成两路光束，调节轴锥镜5位置，使所述两路光束从轴锥镜5平面入射，每路光束经轴锥镜5后以其轴线为基准汇聚到轴线不同点上，形成无衍射光，无衍射光在轴锥镜5后方垂直于轴锥镜轴线的光屏上形成中心光亮等间距的明暗同心圆环，两路无衍射光在轴锥镜5后方一段距离形成以轴锥镜轴线为对称中心线的两个对称同心圆环，所述两个对称同心圆环中心之间距离与光屏距轴锥镜5的距离呈正比例关系，在轴锥镜5后方一段距离内所述两同心圆环相互重叠干涉形成所述莫尔条纹。
图像传感器6采集所述两路无衍射光干涉图，记录所述两路无衍射光在轴锥镜5后方形成的两个同心圆环的中心位置，计算所述两个同心圆环中心距离D，记录所述两个同心圆环相互重叠干涉形成的莫尔条纹数量N，进而求解轴锥镜锥角θ。
滤光片2允许透光波长为λ，轴锥镜5折射率为n，所述同心圆环间距d与轴锥镜锥角θ关系为：
所述同心圆环间距d与所述两同心圆环中心距离D以及所述莫尔条纹数量N关系为：
结合公式(1)、(2)，所述待测轴锥镜锥角θ可表示为：
在对轴锥镜锥角进行检测过程中可沿轴线平移图像传感器6，多次测量取平均值。本实施例中测量了三次，对应锥角分别为θ1、θ2、θ3，最终轴锥镜锥角θ＝(θ1+θ2+θ3)/3。
在测量过程中可调整双孔屏4与滤光片2之间的距离，使经滤光片2出射的光束在双孔屏4形成的光斑区域完全覆盖双孔屏4内两个孔。
在测量过程中滤光片5尽可能靠近白光光源，增大光的透过率的同时减少来自其他光源的干扰。

Claims (8)

1.一种轴锥镜锥角检测装置，包括光源(1)，其特征在于，沿光源(1)出射光束方向依次设置有滤光片(2)、双孔屏(4)、轴锥镜(5)和图像传感器(6)，滤光片(2)平行置于遮光板(3)内，轴锥镜(5)的锥面朝向图像传感器(6)。
2.根据权利要求1所述的轴锥镜锥角检测装置，其特征在于，轴锥镜(5)以其中轴线为轴心可以自由转动。
3.根据权利要求1所述的轴锥镜锥角检测装置，其特征在于，经滤光片(2)出射的光束在双孔屏(4)形成光斑区域完全覆盖双孔屏(4)内两个孔。
4.根据权利要求1所述的轴锥镜锥角检测装置，其特征在于，光源(1)、滤光片(2)、双孔屏(4)、轴锥镜(5)、像传感器(6)共轴放置，其中图像传感器(6)沿轴线可以进行平移。
5.一种轴锥镜锥角检测方法，其特征在于，包括：
沿光源(1)出射光束方向依次设置滤光片(2)、双孔屏(4)、轴锥镜(5)和图像传感器(6)，滤光片(2)平行置于遮光板(3)内，轴锥镜(5)的锥面朝向图像传感器(6)；
启动光源(1)，光源(1)出射的光束经滤光片(2)滤光投射到双孔屏(4)上，所述光束经双孔屏(4)分光形成两路光束，调节轴锥镜(5)位置，使所述两路光束从轴锥镜(5)平面入射，每路光束经轴锥镜(5)后以其轴线为基准汇聚到轴线不同点上，形成无衍射光；
图像传感器(6)采集所述两路无衍射光干涉图，记录所述两路无衍射光在轴锥镜(5)后方形成的两个同心圆环的中心位置，计算所述两个同心圆环中心距离D，记录所述两个同心圆环相互重叠干涉形成的莫尔条纹数量N，并根据公式(1)求解轴锥镜(5)轴锥角θ，
式(1)中，n为轴锥镜(5)折射率，λ为所述滤光片允许透光频率。
6.根据权利要求5述的轴锥镜锥角检测方法，其特征在于，启动光源(1)后调整双孔屏(4)与滤光片(2)之间的距离，使经滤光片(2)出射的光束在双孔屏(4)形成的光斑区域完全覆盖双孔屏(4)内两个孔。
7.根据权利要求5所述的轴锥镜锥角检测方法，其特征在于，轴锥镜(5)以其中轴线为轴心可以自由转动。
8.根据权利要求5所述的轴锥镜锥角检测方法，其特征在于，光源(1)、滤光片(2)、双孔屏(4)、轴锥镜(5)、像传感器(6)共轴放置，图像传感器(6)沿轴线可以进行平移。
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