CN113008133A - 一种检测用柱面镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种检测用柱面镜头,属于光学干涉检测领域涉,设置在干涉仪的焦前,用于检测柱面镜的表面形貌,该干涉仪发射平面光,其特征在于,包括:镜筒,呈筒状;平面镜,固定在镜筒中;以及计算全息图CGH,用于与平面镜相配合将平面光转化为柱面光,固定在镜筒中,其中,平面镜与计算全息图CGH沿干涉仪发射的平面光的光路依次设置在镜筒内,平面镜与计算全息图CGH互相平行且光轴重合。本发明提供的检测用柱面镜头,还可以具有这样的特征,其中,镜筒包括罩筒、第一镜座以及第二镜座,罩筒呈筒状,其两端分别设置有向罩筒的轴线延伸的第一限位部以及第二限位部,第一镜座呈筒状,第二镜座呈一端开口的柱状。

Description

一种检测用柱面镜头
技术领域
本发明属于光学干涉检测领域涉,具体涉及一种检测用柱面镜头。
背景技术
柱面镜属于非球面透镜,可以有效的减少球差和色差。柱面镜又分为平凸柱面透镜、平凹柱面透镜、双凸柱面透镜和双凹柱面透镜。柱面镜具有极其特殊的光学成像性能,高精度柱面镜和柱面系统广泛应用在线聚焦系统、电影摄放镜头、激光打印机、传真机和印刷排版机的扫描成像系统等方面,在医疗领域的胃镜、汽车领域的车载视频系统也有柱面镜的参与,同时在线性探测器照明、条形码扫描、全息照明、光信息处理以及在强激光系统和同步辐射光线束中也有着广泛的应用。
现有技术中,柱面镜的检测方法分为非干涉检测法以及干涉检测法。对于非干涉测量而言,现有技术存在的缺点如下:(1)接触式测量法。这种测量方法在测量过程中,探针与待测表面相接触,因而会对待测面的面形造成一定程度的损伤。(2)样板比对法。这种方法对样板的加工有较高的要求并且适用的检测范围很小,存在一定的局限性,通常只适应于凹圆柱面并且测量精度较低,会对待检测样品面形造成一定的损伤。干涉检测法则存在的缺点如下:补偿镜法:是利用像差补偿的原理,由于采用透射式的测量方案,且平凸圆柱面存在像差,所以很难直接获得被测柱面的面形轮廓的误差。光学全息法检测非球面时必须有参考非球面实体,高精度全息图的制作也有一定的难度,并且光学全息图复位精度对检测精度的影响较大。计算全息法可以不设置干涉样板,可以直接通过干涉条纹得到被测非球面相对于理想非球面的面形误差,但是全息样板的计算量较大,对全息样板的复位精度要求严格,存在一定的困难。所以上述方法以及设备均具有较高的操作难度,无法实现较高的对柱面镜的检测精度与简便的操作过程。
发明内容
为解决上述问题,提供一种检测用柱面镜头,本发明采用了如下技术方案:
本发明提供了一种检测用柱面镜头,设置在干涉仪的焦前,用于检测柱面镜的表面形貌,该干涉仪发射平面光,其特征在于,包括:镜筒,呈筒状;平面镜,固定在镜筒中;以及计算全息图CGH,固定在镜筒中,用于与平面镜相配合将平面光转化为柱面光,其中,平面镜与计算全息图CGH沿干涉仪发射的平面光的光路依次设置在镜筒内,平面镜与计算全息图CGH互相平行且光轴重合。
本发明提供的检测用柱面镜头,还可以具有这样的特征,其中,镜筒包括罩筒、第一镜座以及第二镜座,罩筒呈筒状,其两端分别设置有向罩筒的轴线延伸的第一限位部以及第二限位部,第一镜座呈筒状,第二镜座呈一端开口的柱状,第一镜座以及第二镜座相紧贴穿设在罩筒中,第一限位部以及第二限位部分别与第一镜座以及第二镜座的端面相紧贴进行限位,平面镜固定在第一镜座内靠近托盘的一端,计算全息图CGH设置在第二镜座的开口端中,该开口端远离第一镜座设置,第二镜座靠近第一镜座的一端设置有连通第二镜座以及第一镜座的通孔。
本发明提供的检测用柱面镜头,还可以具有这样的特征,其中,第一镜座包括平面镜固定部以及镜座延伸部,平面镜固定部的内径以及外径均大于镜座延伸部,平面镜固定部穿设在罩筒中,由第一限位部进行限位,镜座延伸部相远离罩筒的方向延伸,平面镜固定在平面镜固定部中。
本发明提供的检测用柱面镜头,还可以具有这样的特征,其中,平面镜固定部中还设置有呈圆筒状的平面镜固定件,且平面镜镜筒的内径与平面镜的外径相同,平面镜固定件远离镜座延伸部的一端设置有向靠近罩筒的轴线防线延伸的平面镜限位凸部,平面镜固定在平面镜镜筒中,平面镜靠近镜座延伸部的一端设置有环状的限位压圈,平面镜限位凸部以及限位压圈相配合对平面镜进行限位。
本发明提供的检测用柱面镜头,还可以具有这样的特征,其中,第二镜座与计算全息图CGH之间设置有钢球。
本发明提供的检测用柱面镜头,还可以具有这样的特征,其中,第二镜座的开口端中固定有全息图固定件,全息图固定件呈圆筒状,且远离第一镜座的一端设置有向靠近罩筒的轴线方向延伸的全息图限位凸部,计算全息图CGH固定在全息图固定件中,计算全息图CGH靠近平面镜的一面与托盘的端面之间设置有限位压板,限位压板以及全息图限位凸部相配合对计算全息图CGH进行限位。
本发明提供的检测用柱面镜头,还可以具有这样的特征,其中,镜筒还包括前盖,固定在罩筒靠近计算全息图CGH的一端。
发明作用与效果
根据本发明的检测用柱面镜头,用于检测柱面镜的表面形貌。本实施例中的检测用柱面镜头,包括镜筒、平面镜、计算全息图CGH,其中,平面镜以及计算全息图CGH互相平行且光轴重合地固定在镜筒中,且两者之间间隔一段距离。计算全息图CGH用于形成柱面波,平面镜以及计算全息图CGH的组合可以将平面光波转化为柱面光波,实现对柱面面形的检测,且可以获得较高的面形测量精度。进一步,本实施例实现了平面镜以及计算全息图CGH的高度集成,在对柱面镜表面形貌进行检测时,可以将待测柱面镜的几何中心移至干涉仪发射处的平行光的光轴上,只需要对待测柱面镜进行调节即可以完成检测,免去了现有技术中补偿法需要调节计算全息图CGH的步骤,使得检测更加简便,且精度更高。
附图说明
图1是本发明实施例的检测用柱面镜头的结构示意图;
图2是本发明实施例的检测用柱面镜头的剖视结构示意图;
图3是本发明实施例的检测用柱面镜头的爆炸结构示意图;
图4是本发明实施例的圆柱面镜表面形貌的检测装置示意图;
图5是本发明实施例的离轴椭圆柱面镜表面形貌的检测装置示意图;
图6是本发明实施例的离轴椭圆柱面镜表面形貌的检测结果的干涉条纹图;
图7是本发明实施例的离轴椭圆柱面镜表面形貌的检测结果的像素图。
具体实施方式
以下结合附图以及实施例来说明本发明的具体实施方式。
<实施例一>
本实施例提供一种检测用柱面镜头,用于检测待测的圆柱面镜的表面形貌。本实施例中,以检测用柱面镜头用于检测圆柱面镜的表面形貌为例。
图1是本发明实施例的检测用柱面镜头的结构示意图,图2是本发明实施例的检测用柱面镜头的剖视结构示意图,图3是本发明实施例的检测用柱面镜头的爆炸结构示意图。
如图1~图3所示,检测用柱面镜头100包括镜筒、平面镜1以及计算全息图2(CGH)。
平面镜1以及计算全息图2互相平行且光轴重合地固定在镜筒中,且平面镜1以及计算全息图2之间间隔一段距离。
本实施例中,平面镜1为标准平面镜。
计算全息图2为计算机生成的全息图CGH,与平面镜1相结合使得依次通过计算全息图2以及平面镜1的平面波或者球面波变为柱面波。
镜筒包括罩筒3、第一镜座4、第二镜座5、平面镜固定件6、全息图固定件7以及前盖9。
罩筒3呈圆筒状,一端设置有向靠近罩筒3的轴线方向延伸的第一限位部31,本实施例中,第一限位部31通过螺钉311与罩筒3相固定,另一端设置有向靠近罩筒3的轴线方向延伸的第二限位部32,第二限位部32远离第一限位部31的一侧还设置有向远离第一限位部31方向延伸前盖安装部33。
第一镜座4呈筒状,包括沿第一镜座4的轴向相邻设置的平面镜安装部41以及镜座延伸部42,平面镜安装部41的内径与外径均大于镜座延伸部42的外径。
镜座延伸部42远离平面镜安装部41的一端设置有凹部421,靠近平面镜安装部41的一端设置有凸部422。
罩筒3靠近第一限位部31的一端套设在平面镜安装部41外,且第一限位部31靠近第二限位部32的一面与镜座安装部41靠近镜座延伸部42的一面相抵接进行限位。
第二镜座5呈柱状,设置在罩筒3内位于第一镜座4的平面镜安装部41的一侧,且第二镜座5靠近第一镜座4的端面与平面镜安装部41的端面相紧贴,第二镜座5远离第一镜座4的一面与罩筒3的第二限位部32的端面相紧贴。即第一限位部31以及第二限位部32对第一镜座4以及第二镜座5进行限位。
第二镜座5远离第一镜座4的一端开口,即设置有安装凹部51,安装凹部51远离第一镜座4的一端的边缘设置有靠近罩筒3的轴线方向延伸的第二镜座部52,第二镜座部52与第二限位部32相紧贴。
第二镜座5靠近第一镜座4的一端的中心设置有连通平面镜安装部41以及安装凹部51的通孔53。平面镜固定件6呈圆筒状,穿设在第一镜座4的平面镜安装部41中并与平面镜安装部41的内壁相紧贴,且平面镜固定件6与第一镜座4通过同时穿过平面镜固定件6与第一镜座4周壁上的固定螺钉固定连接。
平面镜固定件6远离镜座延伸部42的一端设置有向靠近罩筒3的轴线方向延伸的平面镜限位凸部61。
平面镜固定件6的内径与平面镜1相匹配,平面镜1固定在平面镜固定件6中,且平面镜1靠近第二镜座5的一面与平面镜限位凸部61相抵接。
平面镜1靠近镜座延伸部42的一端设置有呈环状的限位压圈43,限位压圈43固定在平面镜固定件6中,限位压圈43靠近平面镜1的端面与平面镜1相紧贴,平面镜限位凸部61与限位压圈43相配合用于分别从平面镜1的两个端面对平面镜1进行限位。
全息图固定件7呈圆筒状,穿设在第二镜座5的安装凸部51中,远离第一镜座4的一端设置有向靠近罩筒3的轴线方向延伸的全息图限位凸部71。全息图固定件7通过穿过全息图固定件7周壁以及第二镜座5的固定螺母74与固定螺钉73固定连接。
计算全息图2固定在全息图固定件7中,计算全息图2靠近第一镜座4的一端设置有三块压板72,压板72与全息图限位凸部71相配合对计算全息图2进行限位。且计算全息图2与第二镜座5远离第一镜座4的一面之间设置有钢球8,用于对计算全息图2进行固定与调节。
前盖9固定在罩筒3的前盖安装部33中,靠近第一镜座4的端面与第二限位部32相紧贴,前盖9设置有与计算全息图2相对应的通孔,且该通孔的周侧设置有向靠近计算全息图2方向延伸的前盖凸沿91。
图4是本发明实施例的圆柱面镜表面形貌的检测装置示意图。
本实施例的检测用柱面镜头100用于检测圆柱面镜500的表面形貌,如图4所示,即提供一种包括检测用柱面镜头100的检测圆柱面镜的表面形貌的检测装置。
圆柱面镜的表面形貌的检测装置包括作为补偿元件的本实施例中的检测用柱面镜头100、干涉仪300a、待测镜夹具(未在图中显示)。
具体地,干涉仪300用于发射平面光波。
检测用柱面镜头100设置在干涉仪300a的焦前,且使得平面镜1以及计算全息图2沿测量光的光路依次设置,检测用柱面镜头100用于将平面光波变为柱面光波,并将该柱面光作为检测光,检测光具有汇聚位置F3,即聚焦位置。干涉仪300发射的平面光经过检测用柱面镜头100的反射后形成反射光,将该反射光作为参考光。
待测镜夹具用于固定待测的圆柱面镜500并调整圆柱面镜500的位置以及倾斜角度,使得圆柱面镜500设置在检测光的光路中且圆柱面面对检测光,圆柱面镜500设置在检测光的汇聚位置F3远离干涉仪300a的一侧。检测光经过圆柱面镜500的反射并按原路返回形成反射光,该反射光经过检测用柱面镜头100,根据衍射效应形成平面光,将该平面光作为待测光。
干涉仪300中设置有CCD探测器(未在图中显示),待测光以及参考光发生干涉后再CCD探测器上进行成像,即获得待测的圆柱面镜500的表面形貌特征。
本实施例中,在检测光的汇聚位置F3处根据小孔滤波原理进行滤波,并在圆柱面镜500下添加垫片使得圆柱面镜500倾斜,即引入一定的倾斜。
实施例作用与效果
本实施例提供一种检测用柱面镜头,用于检测柱面镜的表面形貌。本实施例中的检测用柱面镜头,包括镜筒、平面镜、计算全息图CGH,其中,平面镜以及计算全息图CGH互相平行且光轴重合地固定在镜筒中,且两者之间间隔一段距离。计算全息图CGH用于形成柱面波,平面镜以及计算全息图CGH的组合可以将平面光波转化为柱面光波,实现对柱面面形的检测,且可以获得较高的面形测量精度。进一步,本实施例实现了平面镜以及计算全息图CGH的高度集成,在对柱面镜表面形貌进行检测时,可以将待测柱面镜的几何中心移至干涉仪发射处的平行光的光轴上,只需要对待测柱面镜进行调节即可以完成检测,免去了现有技术中补偿法需要调节计算全息图CGH的步骤,使得检测更加简便,且精度更高。
进一步,本实施例中的检测用柱面镜头的镜筒包括罩筒、第一镜座以及第二镜座,第一镜座的一端以及第二镜座固定在罩筒中,且分别用于固定平面镜以及计算全息图CGH,使得平面镜以及计算全息图CGH可以分别固定在第一镜座以及第二镜座中后再进行拼合,使得镜头的加工更为便捷。
进一步,本实施中的检测用柱面镜头的第一镜座包括平面镜固定部以及镜座延伸部,平面镜固定部用于固定平面镜,镜座延伸部可以阻挡不需要的光线进入镜头中,从而避免影响检测时平面光转换为柱面光,增强检测精度。
进一步,本实施中的检测用柱面镜头中还设置有呈圆筒状的平面镜固定件,设置在第一镜座中,用于固定平面镜。平面镜固定件具有平面镜限位凸部,与设置在平面镜另一段的限位压圈相配合固定平面镜,即能够保证平面镜的位置精度,也便于装配。
进一步,本实施例中的检测用柱面镜头中还设置有呈圆筒状的全息图固定件,用于固定计算全息图CGH,且设置在全息图固定件一端的全息图限位凸部以及设置在计算全息图CGH另一端的限位压板相配合对计算全息图CGH进行限位,使得计算全息图CGH也单独加工为一个部件,便于整个镜头的装配。
进一步,本实施例中的检测用柱面镜头的镜筒还包括前盖,固定在罩筒靠近计算全息图CGH的一端,用于固定罩筒中的部件,使得结构更为紧固。
<实施例二>
本实施例二与实施例一的基本原理相同,即检测用柱面镜头100的结构相同,不同点在于,本实施例将检测用柱面镜头100用于检测离轴椭圆柱面镜的表面形貌。图5是本发明实施例的离轴椭圆柱面镜表面形貌的检测装置示意图。
本实施例的检测用柱面镜头100用于检测离轴椭圆柱面镜200的表面形貌,如图5所示,即提供一种包括检测用柱面镜头100的离轴椭圆柱面镜表面形貌的检测装置。
离轴椭圆柱面镜表面形貌的检测装置包括作为补偿元件的检测用柱面镜头100、具有CCD探测器(未在图中显示)的干涉仪300b、待测镜夹具(未在图中显示)以及反射镜400,用于检测离轴椭圆柱面镜200的表面形貌。
具体地,干涉仪300b用于发射平面光波,即平行光波
检测用柱面镜头100设置在干涉仪300的焦前,且使得平面镜1以及计算全息图2沿测量光的光路依次设置,检测用柱面镜头100用于将平面光波变为柱面光波,该柱面光波作为检测光b具有汇聚位置。同时,干涉仪300发出的平面光波经过检测用柱面镜头100的反射面反射后变为反射光波,将该反射光波作为参考光a。待测镜夹具用于将离轴椭圆柱面镜200固定在检测光b的汇聚位置远离干涉仪300的一侧的检测光b光路中,且待测镜夹具能够调节离轴椭圆柱面镜200与干涉仪300之间的位置以及离轴椭圆柱面镜200的倾斜角度。
检测光b经过离轴椭圆柱面镜200的反射形成反射光波作为第一反射光c,且第一反射光c也具有汇聚位置。
反射镜400设置在第一反射光c的汇聚位置远离离轴椭圆柱面镜200的一侧的第一反射光c的光路中,用于使得第一反射光c原路返回形成反射光波作为第二反射光d。本实施例中,反射镜400为柱面镜。
CCD探测器用于对发生干涉的光进行探测并进行成像,形成干涉条纹。
第二反射光d经过离轴椭圆柱面镜200后形成第三反射光e,该第三反射光e经过检测用柱面镜头100后形成平面光,即平面光作为待测光f,该待测光f与干涉仪300发出的平面光波经过补偿元件反射面反射后的参考光a进行干涉后经过CCD探测器进行成像,获得干涉条纹。
本实施例的使用离轴椭圆柱面镜表面形貌的检测装置进行检测的方法的具体步骤如下所示:
步骤S1,干涉仪300发出的平面光波通过补偿元件,即检测用柱面镜头100将平面光波变为检测光b,并经过补偿元件反射面反射后得到反射光波作为参考光a,将检测光b汇聚的位置作为离轴椭圆柱面镜200的第一焦点F1
本实施例中,还在透射光b的汇聚位置使用小孔滤波器进行小孔滤波。
步骤S2,根据第一焦点F1以及离轴椭圆柱面镜200的属性,即第一焦点F1到离轴椭圆柱面镜中心的距离、第二焦点F2与第一焦点F1之间的距离、第二焦点F2与离轴椭圆柱面镜中心的距离、入射角的角度分别与椭圆的几何属性相对应来确定离轴椭圆柱面镜200的第二焦点F2的位置。
本实施例中,第一焦点F1到离轴椭圆柱面镜中心的距离、第二焦点与第一焦点之间的距离、第二焦点与离轴椭圆柱面镜中心的距离、入射角的角度为测量得到。
步骤S3,将离轴椭圆柱面镜200倾斜放置在透射光b的光路中,使离轴椭圆柱面镜200的几何中心与测量光a的光轴重合。
步骤S4,平移离轴椭圆柱面镜200改变离轴椭圆柱面镜与检测用柱面镜头100之间的距离,并调整离轴椭圆柱面镜200的倾斜角度,使得检测光b全部照射并布满离轴椭圆柱面镜200上形成第一反射光c且第一反射光c汇聚的位置与第二焦点F2重合。
本实施例中,首先将平移离轴椭圆柱面镜200改变离轴椭圆柱面镜与检测用柱面镜头100之间的距离使得检测光b全部照射并布满离轴椭圆柱面镜200上,再通过调整离轴椭圆柱面镜200的角度使得第一反射光c汇聚的位置与第二焦点F2重合。
步骤S5,采用反射镜400使得第一反射光c原路返回形成第二反射光d。
步骤S6,第二反射光d经过离轴椭圆柱面镜200后形成第三反射光e,该第三反射光e经过检测用柱面镜头100后形成平行光作为待测光f,待测光f与参考光a发生干涉后经过CCD探测器进行成像,获得干涉条纹。
图5是本发明实施例的离轴椭圆柱面镜表面形貌的检测结果的干涉条纹图,图6是本发明实施例的离轴椭圆柱面镜表面形貌的检测结果的像素图。
如图6所示,本实施例的离轴椭圆柱面镜表面形貌的检测方法能够得到干涉条纹图,能够反映待测离轴椭圆柱面镜的表面的形貌,即每个位置的平整度。
如图7所示,图(a)以及图(b)中能够清晰地反映出待测离轴椭圆柱面镜的面形特性,即随着x轴、y轴数据的变化反映出待测离轴椭圆柱面镜的面形变化。
本实施例提供了将检测用柱面镜头用于检测离轴椭圆柱面镜的表面形貌的方法,离轴椭圆柱面镜为特殊的离轴非球面的柱面镜,目前基本没有合适的方法能够检测该种柱面镜的表面形貌的方法,而通过使用本实施例的检测用柱面镜头,可以简单地通过调节待测镜的位置即能够进行检测,且得到的结果也较为准确,所以本实施例的检测用柱面镜头具有较大的应用范围。
上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式,而本发明不限于上述实施例的描述范围。
上述实施例中,将本发明的检测用柱面镜头用于检测圆柱面镜以及离轴椭圆柱面镜的表面形貌,在其他实施例中,也可以用于检测其他种类的柱面镜。

Claims (7)

1.一种检测用柱面镜头,设置在干涉仪的焦前,用于检测柱面镜的表面形貌,该干涉仪发射平面光波,其特征在于,包括:
镜筒,呈筒状;
平面镜,固定在所述镜筒中;以及
计算全息图CGH,固定在所述镜筒中,用于与所述平面镜相配合将所述平面光转化为柱面光,
其中,所述平面镜与所述计算全息图CGH沿所述干涉仪发射的所述平面光的光路依次设置在所述镜筒内,
所述平面镜与所述计算全息图CGH互相平行且光轴重合。
2.根据权利要求1所述的检测用柱面镜头,其特征在于:
其中,所述镜筒包括罩筒、第一镜座以及第二镜座,
所述罩筒呈筒状,其两端分别设置有向所述罩筒的轴线延伸的第一限位部以及第二限位部,
所述第一镜座呈筒状,所述第二镜座呈一端开口的柱状,
所述第一镜座以及所述第二镜座相紧贴穿设在所述罩筒中,
所述第一限位部以及所述第二限位部分别与所述第一镜座以及所述第二镜座的端面相紧贴进行限位,
所述平面镜固定在所述第一镜座内靠近所述托盘的一端,
所述计算全息图CGH设置在所述第二镜座的开口端中,该开口端远离所述第一镜座设置,
所述第二镜座靠近所述第一镜座的一端设置有连通所述第二镜座以及所述第一镜座的通孔。
3.根据权利要求2所述的检测用柱面镜头,其特征在于:
其中,所述第一镜座包括平面镜固定部以及镜座延伸部,
所述平面镜固定部的内径以及外径均大于所述镜座延伸部,
所述平面镜固定部穿设在所述罩筒中,由所述第一限位部进行限位,所述镜座延伸部相远离所述罩筒的方向延伸,
所述平面镜固定在所述平面镜固定部中。
4.根据权利要求3所述的检测用柱面镜头,其特征在于:
其中,平面镜固定部中还设置有呈圆筒状的平面镜固定件,且所述平面镜镜筒的内径与所述平面镜的外径相同,
所述平面镜固定件远离所述镜座延伸部的一端设置有向靠近所述罩筒的轴线防线延伸的平面镜限位凸部,
所述平面镜固定在所述平面镜镜筒中,
所述平面镜靠近所述镜座延伸部的一端设置有环状的限位压圈,
所述平面镜限位凸部以及所述限位压圈相配合对所述平面镜进行限位。
5.根据权利要求2所述的检测用柱面镜头,其特征在于:
其中,所述第二镜座与所述计算全息图CGH之间设置有钢球。
6.根据权利要求2所述的检测用柱面镜头,其特征在于:
其中,所述第二镜座的开口端中固定有全息图固定件,
所述全息图固定件呈圆筒状,且远离所述第一镜座的一端设置有向靠近所述罩筒的轴线方向延伸的全息图限位凸部,
所述计算全息图CGH固定在所述全息图固定件中,
所述计算全息图CGH靠近所述平面镜的一面与所述托盘的端面之间设置有限位压板,
所述限位压板以及所述全息图限位凸部相配合对所述计算全息图CGH进行限位。
7.根据权利要求2所述的检测用柱面镜头,其特征在于:
其中,所述镜筒还包括前盖,固定在所述罩筒靠近所述计算全息图CGH的一端。
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