CN109506899B - 一种曲面棱镜非接触检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学检测技术领域，针对现有曲面棱镜的接触检测方法容易损伤棱镜光学表面、测试精度低；非接触检测方法测试光路复杂，无法实现定量检测等问题，提供一种曲面棱镜非接触检测方法及装置。其中，检测方法包括以下步骤：1)自准直显微镜与球面干涉仪对准；2)将待测曲面棱镜放置于自准直显微镜和球面干涉仪之间，使待测曲面棱镜的凸面位于球面干涉仪前；3)用球面干涉仪检测待测曲面棱镜凸面，调整待测曲面棱镜，实现待测曲面棱镜的凸面与球面干涉仪光束自准；然后，用自准直显微镜检测待测曲面棱镜凹面，移动自准直显微镜，实现自准直显微镜与待测曲面棱镜的凹面自准；则自准直显微镜的相对移动量即为待测曲面棱镜球心距离。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，具体涉及一种曲面棱镜非接触检测方法及装置。
背景技术
1911年Féry.C.H基于罗兰圆的原理提出了曲面棱镜或费里棱镜(Féry棱镜)，该棱镜的两个工作表面均为球面，且两个球面具有较大的面倾角，使其同时具有分光和成像能力。当曲面棱镜应用在光谱系统中作为分光元件时，可以大大简化系统的结构，减轻系统的质量。
但是，曲面棱镜为非回转对称零件，其一面为凹面，另一面为凸面，对待测曲面棱镜两个表面的球心距离，即面倾角或离轴量有着很高的要求。传统检测平面棱镜或者透镜的方法无法完成检测，给其加工装调带来了很多困难。
针对曲面棱镜的检测问题，研究人员进行了较多的研究。
在2013年12月11日公开的中国发明专利申请CN103439086A中公开了一种非接触式检测曲面棱镜的方法及装置，它通过增加平面棱镜及校正透镜对待测曲面棱镜的像差进行补偿，观察校正后的点扩散函数判断待测曲面棱镜是否达到精度要求。不过，该方法需要对待测曲面棱镜进行像差补偿设计，测试光路较为复杂，检测容易受到残余像差和光路装调的影响，且检测结果无法反映面倾角的数值。
而在文献“Fery棱镜特性及应用研究”(刘力，硕士论文，苏州大学，2013，第38～56页)中分别采用三坐标检测拟合球面的办法和非完善成像两种方法对待测曲面棱镜进行了检测。但是，三坐标检测法为接触检测，会对棱镜的光学表面带来损伤；且所测球面只是很小一部分球冠，拟合精度不高；而非完善成像法，由于极大的残余像差的存在，探测器无法精确对准，其检测精度也非常有限。
发明内容
本发明的目的是克服现有曲面棱镜的接触检测方法容易损伤棱镜光学表面、测试精度低；非接触检测方法测试光路复杂，无法实现定量检测等不足，而提供一种曲面棱镜非接触检测方法及装置；该检测装置及方法为非接触检测，不损伤光学零件，能够满足待测曲面棱镜的快速、无损、高精度检测需求，可用于待测曲面棱镜的光学加工和装调。
为实现上述目的，本发明提供一种曲面棱镜非接触检测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)将自准直显微镜与球面干涉仪镜头相对设置在光学平台上，使自准直显微镜与球面干涉仪对准；
2)将待测曲面棱镜放置于自准直显微镜和球面干涉仪之间，使待测曲面棱镜的凸面位于球面干涉仪前；
3)使用球面干涉仪检测待测曲面棱镜的凸面，调整待测曲面棱镜，直至球面干涉仪测得的待测曲面棱镜凸面面形屈光度、倾斜均为零，此时待测曲面棱镜凸面的球心O2与球面干涉仪的球心像重合；
然后，使用自准直显微镜检测待测曲面棱镜的凹面，移动自准直显微镜，直至能够清晰观察到经待测曲面棱镜凹面反射后的自准直显微镜分划板像，且该分划板像位于自准直显微镜视场中心；此时待测曲面棱镜凹面的球心O1与自准直显微镜物面中心重合；则自准直显微镜的相对移动量即为待测曲面棱镜球心距离；
或者；
使用自准直显微镜检测待测曲面棱镜的凹面，调整待测曲面棱镜，直至能够清晰观察到经待测曲面棱镜凹面反射后的自准直显微镜分划板像，且该分划板像位于自准直显微镜视场中心；此时待测曲面棱镜的凹面的球心O1与自准直显微镜物面中心重合；
然后，使用球面干涉仪检测待测曲面棱镜的凸面，移动球面干涉仪，直至球面干涉仪测得的待测曲面棱镜凸面面形屈光度、倾斜均为零，此时待测曲面棱镜凸面的球心O2与球面干涉仪的球心像重合；则球面干涉仪的相对移动量即为待测曲面棱镜球心距离。
进一步地，步骤1)中对准的具体步骤如下：通过自准直显微镜观察球面干涉仪的球心像；移动自准直显微镜或球面干涉仪，直到自准直显微镜能够清晰观察到球面干涉仪的球心像，且球心像位于视场中心，此时球面干涉仪的球心像与自准直显微镜的物面中心重合。
进一步地，步骤3)中，设自准直显微镜或球面干涉仪的相对移动量为Δx，Δy，Δz，则待测曲面棱镜的球心距离为
进一步地，步骤3)中通过精密位移平台移动自准直显微镜或球面干涉仪。
另外，本发明还提供一种基于上述曲面棱镜非接触检测方法的装置，其特殊之处在于，包括光学平台、设置在光学平台上的自准直显微镜和球面干涉仪；自准直显微镜的镜头与球面干涉仪的镜头相对设置，自准直显微镜和球面干涉仪之间预留有用于放置待测曲面棱镜的空间；自准直显微镜或球面干涉仪通过精密位移平台安装在光学平台上。
进一步地，上述精密位移平台采用六足位移台。
进一步地，上述光学平台为隔振光学平台。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明采用非接触光学检测，不会对待测曲面棱镜光学表面造成损伤，而且不需要额外的光学补偿设计，检测过程较为简单。
2、由于本发明采用了光学自准的方法，其测试精度很高，可以满足光学加工、装调中的光学检测需求。
3、本发明通过移动精密位移平台，可以获得曲面棱镜球心距的定量检测结果。
附图说明
图1是本发明曲面棱镜非接触检测装置一个实施例的结构示意图。
图中各标号的说明如下：
1—精密位移平台、2—自准直显微镜、3—待测曲面棱镜、4—球面干涉仪。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本实施例提供一种曲面棱镜非接触检测装置，用于检测一个待测曲面棱镜3；该曲面棱镜凹面半径R1＝169mm、口径D1＝Φ70mm，凸面半径R2＝186mm、口径D2＝Φ72mm，球心点距离为Δ＝17.5mm，其凹面的数值孔径为D1/2R1≈0.21，凸面的F数为R2/D2≈2.58。
检测装置包括光学平台(图中未示出)、设置在光学平台上的自准直显微镜2和球面干涉仪4；自准直显微镜2的镜头与球面干涉仪4的镜头相对设置，自准直显微镜2和球面干涉仪4之间预留有用于放置待测曲面棱镜3的空间；自准直显微镜2通过精密位移平台1安装在光学平台上。
本实施例中选择4英寸的球面干涉仪4，其F数为2.2，接近待测曲面棱镜3凸面的F数；选择自准直显微镜2物镜的数值孔径为0.22，接近待测曲面棱镜3的凹面数值孔径，能够满足待测曲面棱镜3凸面和凹面的面形检测要求。精密位移平台1选择位移精度可达到1μm，量程大于50mm的六足位移台。
另外，本实施还提供一种基于上述曲面棱镜非接触检测装置的检测方法，包括以下步骤：
1)通过自准直显微镜2观察球面干涉仪4的球心像；调整自准直显微镜2，使自准直显微镜2的能够清晰观察到球面干涉仪4的球心像，并使球心像位于视场中心位置，实现自准直显微镜2与球面干涉仪4的对准；
2)将待测曲面棱镜3放置于自准直显微镜2和球面干涉仪4之间，使待测曲面棱镜3的凸面位于球面干涉仪4前；
3)使用球面干涉仪4检测待测曲面棱镜3的凸面，调整待测曲面棱镜3，使球面干涉仪4测得的待测曲面棱镜3凸面面形屈光度(Power)、倾斜(Tilt)均为零，此时待测曲面棱镜3凸面的球心O2与球面干涉仪4的球心像重合，即实现待测曲面棱镜3的凸面与球面干涉仪4光束自准；
4)使用自准直显微镜2检测待测曲面棱镜3的凹面，通过精密位移平台1移动自准直显微镜2，直至能够清晰观察到经待测曲面棱镜3凹面反射后的自准直显微镜2分划板像，且该分划板像位于自准直显微镜2视场中心；(由于曲面棱镜放置于自准直显微镜的物面后方，曲面棱镜可将自准直显微镜物镜所成的分划板像进行二次成像；根据成像关系，当分划板像位于曲面棱镜的球心时，则经过曲面棱镜的反射像也会位于球心，从而可以被自准直显微镜观察到。利用这个成像特点，可以判断出曲面棱镜凹面的球心O1是否位于自准直显微镜的物面。)此时待测曲面棱镜3凹面的球心O1与自准直显微镜2物面中心重合；即实现自准直显微镜2与待测曲面棱镜3的凹面自准。
作为精密位移平台1的六足位移台以X轴(横轴)、Y轴(纵轴)、Z轴(竖轴)建立三维直角坐标系，设六足位移台的相对移动量为Δx，Δy，Δz；
则待测曲面棱镜3的球心距离为
Claims (7)
1.一种曲面棱镜非接触检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将自准直显微镜(2)与球面干涉仪(4)镜头相对设置在光学平台上，使自准直显微镜(2)与球面干涉仪(4)对准；
2)将待测曲面棱镜(3)放置于自准直显微镜(2)和球面干涉仪(4)之间，使待测曲面棱镜(3)的凸面位于球面干涉仪(4)前；
3)使用球面干涉仪(4)检测待测曲面棱镜(3)的凸面，调整待测曲面棱镜(3)，直至球面干涉仪(4)测得的待测曲面棱镜(3)凸面面形屈光度、倾斜均为零；
然后，使用自准直显微镜(2)检测待测曲面棱镜(3)的凹面，移动自准直显微镜(2)，直至能够清晰观察到经待测曲面棱镜(3)凹面反射后的自准直显微镜(2)分划板像，且该分划板像位于自准直显微镜(2)视场中心；
则自准直显微镜(2)的相对移动量即为待测曲面棱镜(3)球心距离；
或者；
使用自准直显微镜(2)检测待测曲面棱镜(3)的凹面，调整待测曲面棱镜(3)，直至能够清晰观察到经待测曲面棱镜(3)凹面反射后的自准直显微镜(2)分划板像，且该分划板像位于自准直显微镜(2)视场中心；
然后，使用球面干涉仪(4)检测待测曲面棱镜(3)的凸面，移动球面干涉仪(4)，直至球面干涉仪(4)测得的待测曲面棱镜(3)凸面面形屈光度、倾斜均为零；
则球面干涉仪(4)的相对移动量即为待测曲面棱镜(3)球心距离。
2.根据权利要求1所述一种曲面棱镜非接触检测方法，其特征在于：步骤1)中对准的具体步骤如下：
通过自准直显微镜(2)观察球面干涉仪(4)的球心像；移动自准直显微镜(2)或球面干涉仪(4)，直到自准直显微镜(2)能够清晰观察到球面干涉仪(4)的球心像，且球心像位于视场中心。
3.根据权利要求1或2所述一种曲面棱镜非接触检测方法，其特征在于：步骤3)中，设自准直显微镜(2)或球面干涉仪(4)的相对移动量为Δx，Δy，Δz，则待测曲面棱镜(3)的球心距离为
4.根据权利要求3所述一种曲面棱镜非接触检测方法，其特征在于：步骤3)中通过精密位移平台移动自准直显微镜(2)或球面干涉仪(4)。
5.一种基于权利要求1或2或3或4所述曲面棱镜非接触检测方法的装置，其特征在于：包括光学平台、设置在光学平台上的自准直显微镜(2)和球面干涉仪(4)；
自准直显微镜(2)的镜头与球面干涉仪(4)的镜头相对设置，自准直显微镜(2)和球面干涉仪(4)之间预留有用于放置待测曲面棱镜(3)的空间；
自准直显微镜(2)或球面干涉仪(4)通过精密位移平台(1)安装在光学平台上。
6.根据权利要求5所述基于曲面棱镜非接触检测方法的装置，其特征在于：所述精密位移平台(1)采用六足位移台。
7.根据权利要求6所述基于曲面棱镜非接触检测方法的装置，其特征在于：所述光学平台为隔振光学平台。
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