CN111367045B - 宽光谱球面透射标准镜 - Google Patents

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Abstract

一种宽光谱球面透射标准镜，其构成包括沿激光入射方向上依次的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜构成的镜组，第四透镜可沿光轴方向移动。该镜组最大通光口径为Φ100mm、镜组长度不大于150mm、F数设计范围为0.75～3.30、工作波段为532nm～1550nm，本发明在不同波长下工作时的F数保持不变、波前误差峰谷值均≤0.025λ。本发明可应用于多波长平面激光干涉仪中，实现在多种波长下，对凸面或凹面光学元件的波前参数进行高精度测量。

Description

宽光谱球面透射标准镜
技术领域
本发明涉及光学球面和非球面等元件波前参数的测量，特别是一种用于球面光学元件干涉测量的宽光谱球面透射标准镜。
背景技术
激光干涉技术是以光的干涉原理为基础的一种光学计量方法，是目前公认的检测光学元件波前质量最有效和最准确的技术手段之一。在利用激光平面干涉仪对球面元件面形参数进行测量时，通常需要一个球面透射标准镜在光路中生成标准球面测量光和参考光。国内外常用的激光干涉仪的工作波长为单波长，以632.8nm、1053nm和1064nm波长居多，球面透射标准镜的工作波长通常也是单波长；针对不同工作波长的干涉仪，通常使用不同的球面透射标准镜。随着单波长干涉仪的逐渐发展，市面上出现了多波长激光干涉仪(参见CN109029244A)，其通光口径为Φ100mm，工作波长可为600nm～1600nm波段范围内的任意波长；针对不同工作波长，通常也需要使用不同的球面透射标准镜。Φ100mm口径球面透射标准镜所含镜片数量较多、装配难度较大，通常售价比较昂贵，如果存在一种可在多种测量波长下高精度工作的球面透射标准镜，则可以很好地被上述干涉仪所应用，那样将会大大提高球面透射标准镜的通用性，降低多种波长下干涉检测的成本，从而减少玻璃材料的资源浪费。
在以往的研究中，很少见一个球面透射标准镜支持多工作波长的报道。2016年，在专利“一种小F数多波长标准球面参考透镜组”(参见CN106154362B)中，申请人公开了一种支持632.8nm、543.5nm和532nm三种波长的球面透射标准镜，该镜组使用ZK7和ZF6两种玻璃材料并采用3片式透镜结构(其中1片为胶合透镜)实现消色差设计，通光口径为Φ100mm、F数为3.0。虽然该镜组将传统球面透射标准镜的工作波长从632.8nm单波长拓宽到了632.8nm、543.5nm和532nm三种波长，但其通用性仍然较低，不能实现在某个波段范围内工作，且该球面透射标准镜的工作波长不支持红外干涉仪。
发明内容
本发明为了解决市面上大部分球面透射标准镜只能在一种或少数几种波长下工作的缺陷，提出一种可在532nm～1550nm波长范围内高精度工作的宽光谱球面透射标准镜。
本发明的技术解决方案如下：
一种宽光谱球面透射标准镜，特点在于其构成包括沿激光入射方向上依次的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜构成的镜组；所述的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜均为正透镜，所述的第五透镜前表面的曲率半径等于所述的镜组的后焦距，所述的第四透镜具有可沿光轴方向移动的机械凸轮机构。
所述的镜组能在532nm～1550nm波长范围内工作，工作时，需根据当前入射光波长的大小对所述的第四透镜沿光轴方向进行平移，当所述的第四透镜移动到入射光波长所对应的标定位置时，从所述的第五透镜射出的光束将汇聚在所述的第五透镜前表面的曲率中心处，形成标准球面波；当入射光波长改变时，只需将所述的第四透镜移动到新波长所对应的标定位置上；本发明镜组在不同波长下工作时的F数保持不变、波前误差峰谷值≤0.025λ；本发明镜组的最大通光口径为Φ100mm，镜组长度不大于150mm，F数设计范围为0.75～3.30。
本发明的技术效果如下：
1)本发明解决了目前市面上大部分球面透射标准镜只能在一种或少数几种波长下工作的缺陷，避免了多波长干涉检测时需要在每种波长下分别准备一组球面透射标准镜，从而大大降低了多种波长下干涉检测的成本。
2)本发明能在532nm～1550nm波长范围内工作，适合应用于多波长平面激光干涉仪中，实现在多种波长下，对凸面或凹面光学元件的波前参数进行高精度测量。
3)本发明通过调整所述的第四透镜的位置，可使本发明镜组在每种波长下工作时的F数保持不变、波前误差峰谷值均≤0.025λ。
4)本发明所述的第一透镜和第二透镜的前表面可为平面，所述的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜可为同种材料，降低了本发明镜组的加工难度、制造成本和装调难度。
5)根据光学成像像差公式，可设计出F数范围为0.75～3.30的本发明镜组，以适用于不同口径、不同曲率半径的被测件的检测。
附图说明
图1是本发明宽光谱球面透射标准镜的示意图。
图2是本发明宽光谱球面透射标准镜的实施例1一个入瞳直径100mm、F/0.75宽光谱球面透射标准镜及其工作原理示意图
图3是本发明宽光谱球面透射标准镜的实施例1一个入瞳直径100mm、F/0.75宽光谱球面透射标准镜透镜参数表
图4是本发明宽光谱球面透射标准镜的实施例1一个入瞳直径100mm、F/0.75宽光谱球面透射标准镜工作时第三透镜与第四透镜的间距(a)与入射波长的关系拟合曲线图
图5是本发明宽光谱球面透射标准镜的实施例2一个入瞳直径100mm、F/2.20宽光谱球面透射标准镜及其工作原理示意图
图6是本发明宽光谱球面透射标准镜的实施例2一个入瞳直径100mm、F/2.20宽光谱球面透射标准镜透镜参数表
图7是本发明宽光谱球面透射标准镜的实施例2一个入瞳直径100mm、F/2.20宽光谱球面透射标准镜工作时第三透镜与第四透镜的间距(b)与入射波长的关系拟合曲线图
图8是本发明宽光谱球面透射标准镜的实施例3一个入瞳直径100mm、F/3.30宽光谱球面透射标准镜及其工作原理示意图
图9是本发明宽光谱球面透射标准镜的实施例3一个入瞳直径100mm、F/3.30宽光谱球面透射标准镜透镜参数表
图10是本发明宽光谱球面透射标准镜的实施例3一个入瞳直径100mm、F/3.30宽光谱球面透射标准镜工作时第三透镜与第四透镜的间距(c)与入射波长的关系拟合曲线图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步地说明，但本发明的保护范围并不仅限于下列实施例。
图1为本发明宽光谱球面透射标准镜示意图。由图可见，本发明宽光谱球面透射标准镜，其构成包括沿激光入射方向上依次的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5构成的镜组；所述的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5均为正透镜；所述的第五透镜5前表面的曲率半径等于所述的镜组的后焦距，所述的第四透镜4具有可沿光轴方向移动的机械凸轮机构。
所述的镜组能在532nm～1550nm波长范围内工作，工作时，需根据当前入射光波长的大小对所述的第四透镜4沿光轴方向进行平移，当所述的第四透镜4移动到入射光波长所对应的标定位置时，从所述的第五透镜5射出的光束将汇聚在所述的第五透镜5前表面的曲率中心处，形成标准球面波；当入射光波长改变时，只需将所述的第四透镜4移动到新波长所对应的标定位置上；本发明镜组在不同波长下工作时的F数保持不变、波前误差峰谷值≤0.025λ；本发明镜组的最大通光口径为Φ100mm，镜组长度不大于150mm，F数设计范围为0.75～3.30。
实施例1，图2为本发明实施例1入瞳直径100mm、F/0.75的宽光谱球面透射标准镜及其工作原理示意图。由图可见，当入射平行光波长为532nm时，所述的第四透镜4距离所述的第三透镜3较远；当入射平行光波长为1550nm时，所述的第四透镜4距离所述的第三透镜3较近。图3为本发明实施例1入瞳直径100mm、F/0.75的宽光谱球面透射标准镜的透镜参数表。图4为实施例1中所述的第三透镜3与所述的第四透镜4的间距(a)与入射波长的关系拟合曲线图，该拟合曲线为光滑的一元四次函数曲线，所述的第四透镜4可通过机械凸轮机构等方式实现精密移动。
实施例2，图5为本发明实施例2入瞳直径100mm、F/2.20的宽光谱球面透射标准镜及其工作原理示意图。由图可见，当入射平行光波长为532nm时，所述的第四透镜4距离所述的第三透镜3较远；当入射平行光波长为1550nm时，所述的第四透镜4距离所述的第三透镜3较近。图6为本发明实施例2入瞳直径100mm、F/2.20的宽光谱球面透射标准镜的透镜参数表。图7为实施例2中所述的第三透镜3与所述的第四透镜4的间距(b)与入射波长的关系拟合曲线图，该拟合曲线为光滑的一元四次函数曲线，所述的第四透镜4可通过机械凸轮机构等方式实现精密移动。
实施例3，图8为本发明实施例3入瞳直径100mm、F/2.20的宽光谱球面透射标准镜及其工作原理示意图。由图可见，当入射平行光波长为532nm时，所述的第四透镜4距离所述的第三透镜3较远；当入射平行光波长为1550nm时，所述的第四透镜4距离所述的第三透镜3较近。图9为本发明实施例3入瞳直径100mm、F/2.20的宽光谱球面透射标准镜的透镜参数表。图10为实施例3中所述的第三透镜3与所述的第四透镜4的间距(c)与入射波长的关系拟合曲线图，该拟合曲线为光滑的一元四次函数曲线，所述的第四透镜4可通过机械凸轮机构等方式实现精密移动。

Claims (2)

1.一种宽光谱球面透射标准镜，特征在于其构成包括沿激光入射方向上依次的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)和第五透镜(5)构成的镜组；所述的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)和第五透镜(5)均为正透镜；所述的第五透镜(5)前表面的曲率半径等于所述的镜组的后焦距，所述的第四透镜(4)具有可沿光轴方向移动的机械凸轮机构：所述的镜组能在532nm～1550nm波长范围内工作；所述的镜组在不同波长下工作时的F数保持不变，波前误差的峰谷值≤0.025λ。
2.根据权利要求1所述的宽光谱球面透射标准镜，其特征在于：所述的镜组的最大通光口径为Φ100mm，镜组长度不大于150mm，F数设计范围为0.75～3.30。
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