CN110687075A - 一种光学制件均匀性干涉检测方法 - Google Patents

一种光学制件均匀性干涉检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光学制件均匀性检测技术领域，并具体公开了一种光学制件均匀性干涉检测方法，其包括如下步骤：S1激光束经分束器分为测试光束和普通光束，测试光束通过装有与待测光学制件材料的折射率相同的折射率匹配溶液的透明槽后，与普通光束发生干涉形成相干光束；S2将待测光学制件浸入折射率匹配溶液中，再次进行干涉形成相干光束；S3由浸入待测光学制件前后的相干光束的干涉条纹数得到待测光学制件的折射率偏差，即可得到待测光学制件的均匀性情况。本发明结合干涉技术与折射率匹配装置，并对光路进行设计，完成光学制件的均匀性检测，为复杂面形光学制件的折射率均匀性检测提供了一种效率高、准确度高、可行性强的方法。

Description

一种光学制件均匀性干涉检测方法
技术领域
本发明属于光学制件均匀性检测技术领域，更具体地，涉及一种光学制件均匀性干涉检测方法。
背景技术
光学均匀性是指光学制件因成形工艺、材料等因素引起的折射率分布不均匀，是用于衡量光学制件性能的重要指标。现有的光学材料主要为玻璃以及使用日渐增多的透明塑料，玻璃主要采用研磨成形，塑料采用注射成形、热压成形及其他工艺，注射成形过程中因高剪切流场、非均匀温度场引起制件均匀性相差较大。
光学制件的折射率均匀性检测常基于干涉技术进行，包括通过干涉仪多步测试平行平板毛坯相位差检测折射率均匀性，以及通过预加工结合干涉技术检测等，例如：
专利CN201611223080提供了一种光学平行平板玻璃的均匀性绝对测量方法，基于空间分光同轴斐索型同步移相干涉仪三步检测光学平行平板玻璃的均匀性；专利CN201711113867提供了一种光学材料面折射率的测量方法，基于马赫—泽德干涉方法检测因折射率不均引起的光学相位差，衡量光学材料折射率均匀性；国标GB/T7962.2-2010无色光学玻璃测试方法的第2部分光学均匀性中提到的斐索平面干涉法，该方法采用斐索干涉仪进行光学玻璃均匀性检测；国标GB/T7962.3-2010无色光学玻璃测试方法的第3部分光学均匀性中提到的全息干涉法，该方法采用全息干涉技术检测；上述方法均能定量检测平行平板玻璃毛坯材料的折射率均匀性，但受制于面形引起的光路误差，不能对具有面形的制件进行检测。
专利CN200810034819提供了一种光学玻璃均匀性检测装置结合菲索型商用激光平面干涉仪与折射率匹配溶液两步检测均匀性，能直接测量表面不进行预加工的光学玻璃的均匀性；专利CN201210406066提供了一种干涉测量光学材料均匀性的方法，将光学材料加工成前后表面具有一定夹角的样品，通过干涉仪五次波面测量，适用于大口径元件检测；上述方法干涉检测进行了改进，但步骤繁杂，且仅适用于厚度相差较小的毛坯材料检测。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光学制件均匀性干涉检测方法，其目的在于，结合干涉技术与折射率匹配装置，并进行光路设置，通过光学制件浸入折射率匹配溶液前后的干涉条纹变化，得到光学制件的折射率偏差，完成均匀性检测，为复杂面形光学制件的折射率均匀性检测提供了一种效率高、准确度高、可行性强的方法。
为实现上述目的，本发明提出了一种光学制件均匀性干涉检测方法，包括如下步骤：
S1激光束经分束器分为测试光束和普通光束，所述测试光束通过装有折射率匹配溶液的透明槽后，与普通光束发生干涉形成相干光束，该相干光束的干涉条纹数为Nmo；所述折射率匹配溶液与待测光学制件材料的折射率相同；
S2将待测光学制件浸入折射率匹配溶液中，激光束经分束器分为测试光束和普通光束，所述测试光束通过装有待测光学制件和折射率匹配溶液的透明槽后，与普通光束发生干涉形成相干光束，该相干光束的干涉条纹数为Nmt；
S3由浸入待测光学制件前后的干涉条纹数计算得到待测光学制件的折射率偏差，根据该折射率偏差即可得到待测光学制件的均匀性情况。
作为进一步优选的，所述测试光束通过透明槽后，由平面反射镜反射沿原路经透明槽回到分束器处；所述普通光束经过补偿板后，由第二平面反射镜反射沿原路经补偿板回到分束器处，并与同样回到分束器处的测试光束发生干涉；所述分束器到平面反射镜和到第二平面反射镜的距离相等。
作为进一步优选的，所述补偿板的折射率和厚度与所述分束器相同。
作为进一步优选的，所述S3中通过下式计算待测光学制件的折射率偏差Δn(x,y)：
Figure BDA0002249259690000031
其中，ΔNm＝Nmt-Nmo，λ为激光束波长，d(x,y)为待测光学制件的厚度。
作为进一步优选的，所述测试光束通过透明槽后，由平面反射镜反射至第二分束器处；所述普通光束由第二平面反射镜反射至第二分束器处，并与同样在第二分束器处的测试光束发生干涉；所述测试光束和普通光束从分束器到第二分束器所经的距离相等。
作为进一步优选的，所述S3中通过下式计算待测光学制件厚度方向的折射率偏差Δn(x,y)：
Figure BDA0002249259690000032
其中，ΔNm＝Nmt-Nmo，λ为激光束波长，d(x,y)为待测光学制件的厚度。
作为进一步优选的，采用溴代萘、乙醇和蔗糖配置折射率匹配溶液。
作为进一步优选的，检测温度优选为15℃～25℃，进一步优选为20℃。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明结合干涉技术与折射率匹配装置，通过光学制件浸入折射率匹配溶液前后的干涉条纹变化，得到光学制件的折射率偏差，完成均匀性检测，检测流程简单，采用两步法就能实现制件平面折射率分布差值检测，为复杂面形光学制件的折射率均匀性检测提供了一种效率高、准确度高、可行性强的方法。
2.本发明通过光路设置和折射率匹配溶液，消除了光学制件结构面形对激光束光程的影响，不同于现有的适用于平板材料的折射率均匀性干涉检测方法，本发明适用于球面、非球面及各种异形件的均匀性检测。
附图说明
图1为本发明实施例1干涉检测光路示意图；
图2为本发明实施例2干涉检测光路示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-激光器，2-扩束器，3-分束器，4-第二平面反射镜，5-补偿板，6-透明槽，7-折射率匹配溶液，8-待测光学制件，9-平面反射镜，10-成像镜组，11-CCD相机，12-第二分束器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的一种光学制件均匀性干涉检测方法，包括如下步骤：
S1根据待测光学制件8尺寸选取合适型号的装置，依次安装激光器1、扩束器2、干涉组件、成像镜组10、CCD相机11在基台上，调整光轴；
S2激光器1发出的激光束经扩束器2扩束后，由分束器3分为测试光束和普通光束，所述测试光束通过装有折射率匹配溶液7的透明槽6后，与普通光束发生干涉形成相干光束，该相干光束由成像镜组10成像，所形成的图像由CCD相机11获取，进而得到该相干光束的干涉条纹数为Nmo；
S3将待测光学制件8浸入折射率匹配溶液7中，激光器1发出的激光束经扩束器2扩束后，由分束器3分为测试光束和普通光束，所述测试光束通过装有待测光学制件8和折射率匹配溶液7的透明槽6后，与普通光束发生干涉形成相干光束，该相干光束由成像镜组10成像，所形成的图像由CCD相机11获取，进而得到该相干光束的干涉条纹数为Nmt；
S4由浸入待测光学制件8前后的干涉条纹数计算得到待测光学制件8厚度方向各个位置的折射率偏差Δn(x,y)，该折射率偏差指待测光学制件8各个位置折射率n(x,y)与其原材料折射率n0的差值，则根据此折射率偏差大小即可得到光学制件的均匀性。
具体的，折射率匹配溶液7与待测光学制件8材料的折射率相同，采用溴代萘、乙醇和蔗糖配置而成。
进一步的，透明槽6为经过抛光处理的石英槽，检测温度优选为15℃～25℃，进一步优选为20℃。
以下为具体实施例：
实施例1
装置和光路布置如图1所示，对待测光学制件8进行均匀性干涉检测，包括如下步骤：
S1激光束OO经分束器3分为测试光束OA和普通光束OB，测试光束OA通过装有折射率匹配溶液7的透明槽6后，由平面反射镜9反射沿原路经透明槽6回到分束器3处；普通光束OB经过补偿板5后，由第二平面反射镜4反射沿原路经补偿板5回到分束器3处，并与同样回到分束器3处的测试光束OA发生干涉形成相干光束OI，该相干光束OI的干涉条纹数为Nmo；
S2将待测光学制件8浸入折射率匹配溶液7中，激光束OO经分束器3分为测试光束OA和普通光束OB，测试光束OA通过装有待测光学制件8和折射率匹配溶液7的透明槽6后，由平面反射镜9反射沿原路经透明槽6回到分束器3处；普通光束OB经过补偿板5后，由第二平面反射镜4反射沿原路经补偿板5回到分束器3处，并与同样回到分束器3处的测试光束OA发生干涉形成相干光束OI，该相干光束OI的干涉条纹数为Nmt；
S3加入待测光学制件8前后测试光束OA的光程分别为OPA1和OPA2，普通光束OB光程为OPB，分别记为：
OPA1＝2·(nf-1)·df+2·(ns-1)·ds+2·(n0-1)·dl+2·D1
OPA2＝2·(nf-1)·df+2·(ns-1)·ds+2·(n0-1)·[dl-d(x,y)]+2·[n(x,y)-1]·d(x,y)+2·D1
OPB＝2·(nb-1)·db+2·D2
其中，空气折射率为1，D1、D2分别为分束器3到平面反射镜9和第二平面反射镜4的距离，且D1＝D2；nf、df分别为分束器3的折射率与光路长度，ns、ds分别为透明槽6的折射率与壁厚，n0、dl分别为折射率匹配溶液7的折射率与厚度(n0也是待测光学制件8材料的折射率)，nx(,y)、d(x,y)分别为待测光学制件8的折射率与投影厚度，nb、db分别为补偿板5的折射率和厚度，且nb＝n0，db＝dl(补偿板5用于平衡普通光束OB与测试光束OA光程)；
则加入制件前后测试光束OA与普通光束OB光程差OPDA、OPDB及其差值OPD分别为：
OPDA＝OPA1-OPB＝2·(ns-1)·ds+2·(n0-1)·dl
OPDB＝OPA1-OPB＝2·(ns-1)·ds+2·(n0-1)·[dl-d(x,y)]+2·[n(x,y)-1]·d(x,y)
OPD＝OPDB-OPDA＝2·[n(x,y)-n0]·d(x,y)
又有OPD＝ΔNm·λ，则得到待测光学制件8的折射率偏差Δn(x,y)，根据该折射率偏差即得到光学制件的均匀性：
Figure BDA0002249259690000061
其中，ΔNm＝Nmt-Nmo，λ为激光束波长。
实施例2
装置和光路布置如图2所示，对待测光学制件8进行均匀性干涉检测，包括如下步骤：
S1激光束OO经分束器3分为测试光束OA和普通光束OB，测试光束OA通过装有折射率匹配溶液7的透明槽6后，由平面反射镜9反射至第二分束器12处；普通光束OB由第二平面反射镜4反射至第二分束器12处，并与同样在第二分束器12处的测试光束发生干涉形成相干光束OI，该相干光束OI的干涉条纹数为Nmo；
S2将待测光学制件8浸入折射率匹配溶液7中，激光束OO经分束器3分为测试光束OA和普通光束OB，测试光束OA通过装有待测光学制件8和折射率匹配溶液7的透明槽6后，由平面反射镜9反射至第二分束器12处；普通光束OB由第二平面反射镜4反射至第二分束器12处，并与同样在第二分束器12处的测试光束发生干涉形成相干光束OI，该相干光束OI的干涉条纹数为Nmt；
S3加入待测光学制件8前后测试光束OA的光程分别为OPA1和OPA2，普通光束OB光程为OPB，分别记为：
OPA1＝2·(nf-1)·df+2·(ns-1)·ds+(n0-1)·dl+D1
OPA2＝2·(nf-1)·df+2·(ns-1)·ds+(n0-1)·[dl-d(x,y)]+[n(x,y)-1]·d(x,y)+D1
OPB＝2·(nf-1)·df+D2
其中，空气折射率为1，D1、D2分别为测试光束OA、普通光束OB从分束器3到第二分束器12的所经的距离，且D1＝D2；nf为分束器3和第二分束器12的折射率，df为分束器3和第二分束器12的光路长度；ns、ds分别为透明槽6的折射率与壁厚，n0、dl分别为折射率匹配溶液7的折射率与厚度(n0也是待测光学制件8材料的折射率)，n(x,y)、d(x,y)分别为待测光学制件8的折射率与投影厚度；
则加入制件前后测试光束OA与普通光束OB光程差OPDA、OPDB及其差值OPD分别为：
OPDA＝OPA1-OPB＝2·(ns-1)·ds+(n0-1)·dl
OPDB＝OPA1-OPB＝2·(ns-1)·ds+(n0-1)·[dl-d(x,y)·]+[n(x,y)-1]·d(x,y)
OPD＝OPDB-OPDA＝[n(x,y)-n0]·d(x,y)
又有OPD＝ΔNm·λ，则得到待测光学制件8的折射率偏差Δn(x,y)，根据该折射率偏差即得到光学制件的均匀性：
Figure BDA0002249259690000081
其中，△Nm＝Nmt-Nmo，λ为激光束波长。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光学制件均匀性干涉检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1激光束经分束器(3)分为测试光束和普通光束，所述测试光束通过装有折射率匹配溶液(7)的透明槽(6)后，与普通光束发生干涉形成相干光束，该相干光束的干涉条纹数为Nmo；所述折射率匹配溶液(7)与待测光学制件(8)材料的折射率相同；
S2将待测光学制件(8)浸入折射率匹配溶液(7)中，激光束经分束器(3)分为测试光束和普通光束，所述测试光束通过装有待测光学制件(8)和折射率匹配溶液(7)的透明槽(6)后，与普通光束发生干涉形成相干光束，该相干光束的干涉条纹数为Nmt；
S3由浸入待测光学制件(8)前后的干涉条纹数计算得到待测光学制件(8)的折射率偏差，根据该折射率偏差即可得到待测光学制件(8)的均匀性情况。
2.如权利要求1所述的光学制件均匀性干涉检测方法，其特征在于，所述测试光束通过透明槽(6)后，由平面反射镜(9)反射沿原路经透明槽(6)回到分束器(3)处；所述普通光束经过补偿板(5)后，由第二平面反射镜(4)反射沿原路经补偿板(5)回到分束器(3)处，并与同样回到分束器(3)处的测试光束发生干涉；所述分束器(3)到平面反射镜(9)和到第二平面反射镜(4)的距离相等。
3.如权利要求2所述的光学制件均匀性干涉检测方法，其特征在于，所述补偿板(5)的折射率和厚度与所述分束器(3)相同。
4.如权利要求3所述的光学制件均匀性干涉检测方法，其特征在于，所述S3中通过下式计算待测光学制件(8)的折射率偏差Δn(x,y)：
Figure FDA0002249259680000011
其中，ΔNm＝Nmt-Nmo，λ为激光束波长，d(x,y)为待测光学制件(8)的厚度。
5.如权利要求1所述的光学制件均匀性干涉检测方法，其特征在于，所述测试光束通过透明槽(6)后，由平面反射镜(9)反射至第二分束器(12)处；所述普通光束由第二平面反射镜(4)反射至第二分束器(12)处，并与同样在第二分束器(12)处的测试光束发生干涉；所述测试光束和普通光束从分束器(3)到第二分束器(12)所经的距离相等。
6.如权利要求5所述的光学制件均匀性干涉检测方法，其特征在于，所述S3中通过下式计算待测光学制件(8)厚度方向的折射率偏差Δn(x,y)：
其中，ΔNm＝Nmt-Nmo，λ为激光束波长，d(x,y)为待测光学制件(8)的厚度。
7.如权利要求1所述的光学制件均匀性干涉检测方法，其特征在于，采用溴代萘、乙醇和蔗糖配置折射率匹配溶液(7)。
8.如权利要求1-7任一项所述的光学制件均匀性干涉检测方法，其特征在于，检测温度优选为15℃～25℃，进一步优选为20℃。
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