CN111609997A - 一种适用于透射式光学元件光程均匀性测量的检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于透射式光学元件光程均匀性测量的检测装置，包括：双频激光器、用于形成测量光学腔及补偿光学腔的支架、分光镜、转折镜、角锥镜、用于干涉测量的接收器及处理电路、用于实现面阵扫描的转台及直线位移台、主控器。本发明检测装置结构简单、工程易实现且具有较强的扩展性，可实现透射式光学元件光程均匀性快速、高精度的测量。
Description
技术领域
本发明属于光学精密测量技术领域，具体涉及一种适用于透射式光学元件光程均匀性测量的检测装置。
背景技术
薄膜衍射光学、强激光光学领域里新型光学系统的快速发展对透射式基底、窗口等光学元件的光程均匀性提出了严苛的要求。对光学元件光程均匀性的精密测量是改良其制作工艺，提高加工精度的关键。快速有效的对光学元件进行纳米级精度光程均匀性测量逐渐成为光学界关注和追求的目标。
目前主流的测量光学元件光程均匀性的方法有两种，一种是通过使用相位干涉仪直接测量光学元件透射波前，这种方法的优点是通过单幅采样就可以测量整个光学元件的透射波前，进而解算出测试口径内的光程差分布，具有测试效率高，易操作的优点。这种方法的不足之处是：(1)根据相位干涉仪的测量原理，由于对准失调的影响，其无法准确测出呈倾斜分布的光程差。(2)相位干涉仪受其自身测量范围的限制，目前最大测试口径只能达到
800mm，并且设备及测量附件极其昂贵，并不适用于光学车间检测。(3)相位干涉仪测量精度易受环境及参考标准镜精度的影响，测量误差通常大于50nm。另一种方法是通过测量光学元件厚度分布的方法推算出光程差分布，这种方法需要采用具有纳米精度的位移传感器通过相对式测量法测量出光学元件的整体厚度变化，其主要的不足为：属于间接测量，需要保证被测光学元件材料有着极高的光学折射率均匀性。综上，现有的光学元件光程均匀性检测手段在一定程度上已经无法满足日益增长的高精度、大尺度的测量需求。
综上，为了解决现有检测方法存在的不足，本发明构建一种高精度兼可扩展的光程均匀性测量装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：针对现有技术的不足，提供一种用于高速、高精度、非接触的透射式光学元件光程均匀性的检测装置，可实现如平板玻璃、薄膜等透射光学元件光程均匀性的质量控制。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种适用于透射式光学元件光程均匀性测量的检测装置，基于干涉原理结合运动机构扫描测量处于固定光学腔中光学元件不同位置处的光程变化量，通过设置光学补偿腔的方法实现环境误差的补偿，该装置由支架，双频激光器，分光镜，干涉组合镜，角锥反射镜，转折镜，干涉组合镜，角锥反射镜，光纤接收适配器，接收器，处理电路，转台，直线位移台，主控制器和隔离罩组成，其中，
所述的支架，由低热膨胀系数材料制作，用于固定光学元件，形成稳定的光学测量腔。
所述的双频激光器输出具有一定频差的激光，其频率稳定度在10-9～10-10量级。
所述的分光镜分光比为50％，其将激光束分光，其中透射光为测量光束，90度折转光为补偿光束。
所述的干涉组合镜及角锥反射镜组成参考光路，用于形成光程恒定的光学补偿腔，其主要作用为：监测由支架温度变形、空气折射率变化及激光器波长漂移引入的测量误差。
所述的转折镜用以将透射激光进行90°转向。
所述的干涉组合镜及角锥反射镜组成测量光路，用于形成光学测量腔，当光程不一致的被测光学元件在其中移动时，测量腔中的光程将出现变化。
所述的光纤接收适配器将光束耦合至光纤并传输至接收器，接收器将光信号转换成电信号。
所述的处理电路接收到含有多普勒频移的电信号及双频激光器的输出的参考信号并进行处理，输出测量光路的光程变化量OP1及补偿光路的光程变化量OP2。
所述的转台为空心气浮转台，用以带动被测光学元件旋转；直线位移台采用气浮导轨，带动转台直线运动；转台的角向运动与直线位移台的直线运动相结合，可使测量光束穿透被测光学元件的所需测量区域。测量时，转台及直线位移台实时输出角度及位移信号。
所述的主控制器用以实现转台、直线位移台的运动控制及角度、位移信息的采集，同时获取测量光路光程变化量OP1及补偿光路光程变化量OP2，处理后得到最终光程差的分布。
所述的隔离罩用以隔离气流扰动。
其中，检测装置测量光路及补偿光路采用共光路干涉。
本发明与现有技术相比有如下优点：
(1)本发明基于激光干涉原理探测透射光学元件的光程变化，其测量可溯源至国际长度基准。
(2)本发明测量装置对调整误差不敏感；充分利用了干涉测量的高动态特性，采用动态点扫描的测量方式，测量全面，效率高。
(3)本发明结构紧凑，测量光路短，可有效抑制环境误差对干涉测量的影响，结合使用参考光路进行环境补偿，测量精度高。
(4)本发明测量装置的测量范围具有可扩展性，更容易实现大口径光学元件的测量。
附图说明
图1为本发明一种适用于透射式光学元件光程均匀性测量的检测装置结构示意图。
图中：1为支架，2为双频激光器，3为分光镜，4为干涉组合镜，5为角锥反射镜，6为转折镜，7为干涉组合镜，8为角锥反射镜，10为光纤接收适配器，11为接收器，12为处理电路，13为转台，14为直线位移台，15为主控制器，16为隔离罩。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明一种适用于透射式光学元件光程均匀性测量的检测装置，由支架1，双频激光器2，分光镜3，干涉组合镜4，角锥反射镜5，转折镜6，干涉组合镜7，角锥反射镜8，被测光学元件9，光纤接收适配器10，接收器11，处理电路12，转台13，直线位移台14，主控制器15和隔离罩16组成。
支架1，可为一体式C型结构或组合式框形结构，由低热膨胀系数材料制作，如INVAR合金或零膨胀玻璃。
双频激光器2为氦氖双频激光器，输出具有一定频差的双频激光，光束光斑在3mm～6mm之间，频率稳定度在10-9～10-10量级，其与支架1隔离，通过调整台调整光束方向。
分光镜3分光比为50％，通过微调附件固定在支架横梁上，其将激光束分光。
干涉组合镜4及角锥反射镜5组成参考光路，其中干涉组合镜4采用共光路干涉镜，角锥反射镜5的位置通过接收器反馈的干涉光强信号进行手动调整。
转折镜6通过微调附件固定在支架横梁上，将透射激光进行90°转向，其与分光镜3的距离应大于转台半径。
干涉组合镜7及角锥反射镜8组成测量光路，其中干涉组合镜7采用共光路干涉镜。角锥反射镜8的位置通过接收器反馈的干涉光强信号进行手动调整。干涉组合镜7至角锥反射镜8之间的距离应与干涉组合镜4至角锥反射镜5距离相等。在满足转台安装及被测光学元件顺利安放的前提下，应尽可能缩短干涉组合镜7及角锥反射镜8之间的距离。
光纤接收适配器10将光束耦合至光纤并传输至接收器11，接收器11将光信号转换成电信号。
处理电路12接收到含有多普勒频移的电信号及双频激光器2的输出的参考信号并进行处理，输出测量光路的光程变化量OP1及补偿光路的光程变化量OP2。处理电路的扩展分辨因子应达到256使系统测量分辨率高于1.2nm。
转台13为空心气浮转台，其轴系安装角度编码器，可以实现角秒级测量分辨率，转台转轴与测量光束光轴调平行。
直线位移台14采用气浮导轨并配有直线光栅，转台13偏置于直线位移台14上，直线位移台14带动转台13直线运动时，测量光路经过径向线且不受遮挡。
主控制器15用以实现转台13、直线位移台14的运动控制。在动态测量时，可首选螺旋线测量方式，即转台13和直线位移台14同时做匀速运动，使测量光束轨迹可覆盖被测光学元件表面。同时，主控制器15对转台13、直线位移台14及处理电路12输出信号进行同步采样。
直线位移台14带动转台13进行直线运动时，将测量光束过转台13旋转中心处时直线位移台14读数置零。
在测量时，主控制器15获取测量光束在经过被测光学元件9不同位置时的光程变化量OP1及相同时刻补偿光路的光程变化量OP2，则补偿后的光程变化量为：
OP＝OP1-OP2；
所测得光程变化值其对应被测光学元件9的位置为：
X＝L×cos(α)
Y＝L×sin(α)；
其中L为直线位移台14读数，α为转台13旋转角度读数。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种适用于透射式光学元件光程均匀性测量的检测装置，该装置基于干涉原理结合运动机构扫描测量处于固定光学腔中光学元件不同位置处的光程变化量，其特征在于：该装置由支架(1)，双频激光器(2)，分光镜(3)，干涉组合镜(4)，角锥反射镜(5)，转折镜(6)，干涉组合镜(7)，角锥反射镜(8)，光纤接收适配器(10)，接收器(11)，处理电路(12)，转台(13)，直线位移台(14)，主控制器(15)和隔离罩(16)组成，其中，
所述的支架(1)，由低热膨胀系数材料制作，用于固定光学元件，形成稳定的光学测量腔；
所述的双频激光器(2)，输出具有一定频差的激光，其频率稳定度在10-9～10-10量级；
所述的分光镜(3)，分光比为50％，其将激光束分光，其中透射光为测量光束，90度折转光为补偿光束；
所述的干涉组合镜(4)及角锥反射镜(5)组成参考光路，用于形成光程恒定的光学补偿腔，其主要作用为：监测由支架温度变形、空气折射率变化及激光器波长漂移引入的测量误差；
所述的转折镜(6)，用以将透射激光进行90°转向；
所述的干涉组合镜(7)及角锥反射镜(8)组成测量光路，用于形成光学测量腔，当光程不一致的被测光学元件(9)在其中移动时，测量腔中的光程将出现变化；
所述的光纤接收适配器(10)，将光束耦合至光纤并传输至接收器(11)，接收器(11)将光信号转换成电信号；
所述的处理电路(12)接收到含有多普勒频移的电信号及双频激光器(2)的输出的参考信号并进行处理，输出测量光路的光程变化量OP1及补偿光路的光程变化量OP2；
所述的转台(13)为空心气浮转台，用以带动被测光学元件(9)旋转；直线位移台(14)采用气浮导轨，带动转台(13)直线运动；转台(13)的角向运动与直线位移台(14)的直线运动相结合，可使测量光束穿透被测光学元件(9)的所需测量区域，测量时，转台(13)及直线位移台(14)实时输出角度及位移信号；
所述的主控制器(15)用以实现转台(13)、直线位移台(14)的运动控制及角度、位移信息的采集，同时获取测量光路光程变化量OP1及补偿光路光程变化量OP2，处理后得到最终光程差的分布；
所述的隔离罩(16)用以隔离气流扰动。
2.根据权利要求1所述的适用于透射式光学元件光程均匀性测量的检测装置，其特征在于：测量光路及补偿光路采用共光路干涉。
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|---|---|---|---|---|
| CN113624457A (zh) * | 2021-08-19 | 2021-11-09 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 基于光学衍射的薄膜均匀性检测系统 |
| CN113624458A (zh) * | 2021-08-19 | 2021-11-09 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 基于双路全投射光的薄膜均匀性检测系统 |
| CN113624458B (zh) * | 2021-08-19 | 2024-04-30 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 基于双路全投射光的薄膜均匀性检测系统 |
| CN113624457B (zh) * | 2021-08-19 | 2024-04-30 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 基于光学衍射的薄膜均匀性检测系统 |
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