CN111156924A - 高陡度光学镜凸面计算全息透射检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高陡度光学镜凸面计算全息透射检测系统，该系统的计算全息基板设置在干涉仪焦点后且位于标准镜与光学镜之间，其面向光学镜的一侧为衍射面；干涉仪发出的参考光经过出光口处的标准镜出射球面波，参考光经过计算全息基板和光学镜，由光学镜凸面反射后返回；返回的光线再经过光学镜和计算全息基板汇聚到干涉仪焦点，最终进入干涉仪，与内部参考光发生干涉；干涉仪根据干涉的相位信息获得光学镜凸面面形信息；计算全息基板的衍射面检测区域周期分布多个波浪形衍射环。本发明能够实现高陡度光学镜凸面面形全口径检测，具有结构简单，成本低，检测耗时短，检测精度高等特点。

Description

高陡度光学镜凸面计算全息透射检测系统
技术领域
本发明属于光学镜面形检测技术领域，涉及一种光学镜凸面面形全口径检测系统，特别涉及一种高陡度光学镜凸面计算全息透射检测系统。
背景技术
显微物镜是基因测序仪的核心，在平面空间尺度和空间分辨率方面均提出了较高要求，这就需要显微物镜需要在具备大视场的同时兼顾高分辨率。这是高精度的光学透镜成为显微物镜的关键元件。
高陡度光学镜通常指slope值0.8以上(评价光学镜片陡度量采用slope值，矢高变化量与单位长度比值)。高陡度光学镜面形变化剧烈，检测过程存在以下情况：标准zygo标准镜头难以一次检测完全；适用检测方法检测精度低。以在光学系统中使用弯月透镜凸面检测为例，高分辨率显微物镜对于这类光学透镜面形精度要求RMS值需要达到λ/120以上。若直接采用干涉仪检测，则需要6寸干涉仪以及F#0.8标准镜，这种方法只能实现94％口径检测，而且6寸干涉仪和F#0.8标准镜价钱比较高。若采用“子孔径拼接干涉检测光学非球面面形的装置”(专利申请号：200910217903.4)进行检测，虽然能够得到大口径弯月镜凸面的面形数据，但整个检测过程除了干涉仪、标准镜球面镜和调整机构外，还需要多台数控设备精确控制来控制干涉仪和被检测面的平移和转动，对设备需求要求高，无形之中增加了生产成本；而且需要测量多个子孔径，在大量的数据处理后才能得到面形数据，单镜检测耗时较长，难以满足批量化生产需求；此外检测精度只能达到λ/80，难以满足使用要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现全口径检测且检测精度高的高陡度光学镜凸面计算全息透射检测系统。
为了解决上述技术问题，本发明的高陡度光学镜凸面计算全息透射检测系统包括干涉仪、标准镜，标准镜安装在干涉仪的出光口；其特征在于还包括计算全息基板；所述的计算全息基板设置在干涉仪焦点后且位于标准镜与光学镜之间，其面向光学镜的一侧为衍射面；干涉仪发出的参考光经过出光口处的标准镜出射球面波，参考光经过计算全息基板和光学镜，由光学镜凸面反射后返回；返回的光线再经过光学镜和计算全息基板汇聚到干涉仪焦点，最终进入干涉仪，与内部参考光发生干涉；干涉仪根据干涉的相位信息获得光学镜凸面面形信息；计算全息基板的衍射面包括检测区域；检测区域周期分布多个波浪形衍射环，波浪形衍射环满足以下条件：
Figure BDA0002375448190000021
Figure BDA0002375448190000022
其中
Figure BDA0002375448190000023
为相位函数，D为波浪形衍射环的占空比，0.35≤D≤0.55，m为波浪形衍射环的衍射级次，A0和A1分别为计算全息基板衍射面上亮、暗衍射条纹的振幅(可以调整干涉仪，亮暗对比度能够测量干涉条纹数据即可)；n为基板折射率，d为波浪形衍射环刻蚀深度,λ为检测波长。
所述的计算全息基板的衍射面还包括对准区域；对准区域周期分布多个用于调整干涉仪与计算全息基板空间位置的圆形衍射环。
所述的圆形衍射环和波浪形衍射环变化规律为越往计算全息基板的边缘周期越小。
本发明能够实现高陡度光学镜凸面面形全口径检测，具有结构简单，成本低，检测耗时短，检测精度高等特点，能够满足批量化生产需求；对于口径为1m以下的光学镜，检测耗时不大于5分钟，RMS(误差均方根)值优于λ/120。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2a是衍射面正视图。
图2b是图2a的I部局部放大图。
图2c是图2a的J部局部放大图。
图3是凸面面形检测结果图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的高陡度光学镜凸面计算全息透射检测系统包括干涉仪1、标准镜2，标准镜2安装在干涉仪1的出光口；其特征在于还包括计算全息基板4；所述的计算全息基板4设置在干涉仪焦点3后且位于标准镜2与光学镜5之间，其面向光学镜5的一侧为衍射面41；干涉仪1发出的参考光经过出光口处的标准镜2出射球面波，参考光经过计算全息基板4和光学镜5，由光学镜5凸面反射后返回；返回的光线再经过光学镜5和计算全息基板4汇聚到干涉仪焦点3，最终进入干涉仪1，与内部参考光发生干涉；干涉仪1根据干涉的相位信息获得光学镜凸面面形信息。
如图2所示，所述的计算全息基板4的衍射面41分为对准区域41-2和检测区域41-1；对准区域41-2周期分布多个用于调整干涉仪与计算全息基板4空间位置的圆形衍射环412；检测区域41-周期1分布多个用于检测光学镜凸面面形的波浪形衍射环411；圆形衍射环412和波浪形衍射环411变化规律为越往计算全息基板4的边缘周期越小。
在调整干涉仪位置时，使衍射条纹与圆形衍射环412对准即可将干涉仪调整至理想位置。
通过在计算全息基板4的衍射面41涂覆光刻胶并进行刻蚀处理，即可得到圆形衍射环412和波浪形衍射环411。
所述的波浪形衍射环411需满足以下条件：
Figure BDA0002375448190000031
Figure BDA0002375448190000032
其中
Figure BDA0002375448190000033
为相位函数，D为波浪形衍射环411的占空比(0.35-0.55)，m为波浪形衍射环的衍射级次，A0和A1分别为计算全息基板4衍射面41上亮、暗衍射条纹的振幅(振幅大小通过调整干涉仪使亮暗对比度能够测量干涉条纹数据即可)；n为基板折射率，d为波浪形衍射环刻蚀深度，λ为检测波长。
所述的圆形衍射环412和波浪形衍射环411的周期即相邻衍射环中心间隔，占空比为被刻蚀条纹宽度与衍射环周期之比。
干涉仪1采用4寸干涉仪，标准镜2采用F#0.65标准镜；或者干涉仪1采用6寸干涉仪，标准镜2采用特制标准镜(特制标准镜是美国zygo公司产品，可以选购)；光学镜5可以为凹透镜，也可以为凸透镜或凹面镜等。
如图3所示，经过光学设计软件ZEMAX模拟仿真表明，本发明光学镜凸面面形检测PV(误差峰谷差值)不大于0.189，rms(误差均方根)不大于0.008，Power(离焦量)不大于0.001，证明本发明检测精度高。

Claims (3)

1.一种高陡度光学镜凸面计算全息透射检测系统，包括干涉仪(1)、标准镜(2)，标准镜(2)安装在干涉仪(1)的出光口；其特征在于还包括计算全息基板(4)；所述的计算全息基板(4)设置在干涉仪焦点(3)后且位于标准镜(2)与光学镜(5)之间，其面向光学镜(5)的一侧为衍射面(41)；干涉仪(1)发出的参考光经过出光口处的标准镜(2)出射球面波，参考光经过计算全息基板(4)和光学镜(5)，由光学镜(5)凸面反射后返回；返回的光线再经过光学镜(5)和计算全息基板(4)汇聚到干涉仪焦点(3)，最终进入干涉仪(1)，与内部参考光发生干涉；干涉仪(1)根据干涉的相位信息获得光学镜凸面面形信息；计算全息基板(4)的衍射面(41)包括检测区域(41-1)；检测区域(41-1)周期分布多个波浪形衍射环(411)，波浪形衍射环(411)满足以下条件：
Figure FDA0002375448180000011
Figure FDA0002375448180000012
其中
Figure FDA0002375448180000013
为相位函数，D为波浪形衍射环的占空比，0.35≤D≤0.55，m为波浪形衍射环的衍射级次，A0和A1分别为计算全息基板(4)衍射面(41)上亮、暗衍射条纹的振幅，n为基板折射率，d为波浪形衍射环刻蚀深度,λ为检测波长。
2.根据权利要求1所述的高陡度光学镜凸面计算全息透射检测系统，其特征在于所述的计算全息基板(4)的衍射面(41)还包括对准区域(41-2)；对准区域(41-2)周期分布多个用于调整干涉仪与计算全息基板(4)空间位置的圆形衍射环(412)。
3.根据权利要求2所述的高陡度光学镜凸面计算全息透射检测系统，其特征在于所述的圆形衍射环和波浪形衍射环变化规律为越往计算全息基板(4)的边缘周期越小。
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