CN114705132A - 一种棒镜的面形检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种棒镜的面形检测装置，包括测量主机、激光干涉仪、平面标准镜、CGH镜头以及用于固定棒镜的工作台；所述激光干涉仪发出的平行光束到达平面标准镜后分为两路，第一路光束被平面标准镜反射回激光干涉仪；第二路光束透过平面标准镜后到达CGH镜头，经CGH镜头汇聚后到达棒镜的表面，再经过棒镜的表面反射后沿原光路返回至激光干涉仪，反射回来的第二路光束与第一路光束在激光干涉仪中产生干涉，测量主机通过测量干涉条纹的弯曲程度得到棒镜反射面的面形，通过工作台水平转动棒镜得到棒镜不同区域的面形。本发明的面形检测装置结构简单，能快速准确地检测棒镜各个区域的面形信息，可直观地根据干涉条纹的弯曲程度来判断棒镜反射面的面形。

Description

一种棒镜的面形检测装置及方法
技术领域
本发明属于棒镜面形检测技术领域，具体涉及一种棒镜的面形检测装置及方法。
背景技术
一般的光学面形检验方法都是相对测量法，由于干涉仪系统误差及参考平面误差，测量结果相对于实际平面有一定的偏差。当测量精度要求很高时，必须消除干涉仪的系统误差和参考平面误差，于是提出了绝对检测技术。绝对检测就是通过消除干涉仪器的系统误差和参考平面误差对测量结果的影响来得到待测件的绝对面形信息。绝对检测在原理上不引入干涉仪系统误差和参考表面误差，能够得到光学平面的绝对信息。
1954年，P.B.Keenan提出了一种伪剪切干涉计量测试技术(Pseudo shearInterferometry,又称为差分法或平移相减法)。伪剪切法绝对检测是通过标准平面和待测件在某一固定位置的测量结果和待测件在两个相互垂直方向移动后的测量结果相减后再累加求出待测件的绝对面形，在三次测量过程中控制干涉仪系统误差不变，差分法现已被广泛应用于光学面形的绝对测量。一般的差分法需测得零位以及互相垂直的两个方向上的波面信息，即需测得三组数据，且两轴上数据均需与零位数据相减，如零位数据的误差会被代入两次计算过程中，容易产生较大误差。
目前市面上对于棒镜这类产品没有较好的较精确的测量方法，传统检测采用样板检测，样板检测是接触式测量，容易损伤表面光洁度，且是用人眼判断，需要一定的经验，不同的人检测结果存在差异，测量误差较大。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种棒镜的面形检测装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种棒镜的面形检测装置，包括测量主机、激光干涉仪、平面标准镜、CGH镜头以及用于固定棒镜的工作台；
所述激光干涉仪发出的平行光束到达平面标准镜后分为两路，第一路光束被平面标准镜反射回激光干涉仪；第二路光束透过平面标准镜后到达CGH镜头，经CGH镜头汇聚后到达棒镜的表面，再经过棒镜的表面反射后沿原光路返回至激光干涉仪，反射回来的第二路光束与第一路光束在激光干涉仪中产生干涉，测量主机通过测量干涉条纹的弯曲程度得到棒镜反射面的面形，通过工作台水平转动棒镜得到棒镜不同区域的面形。
本发明的面形检测装置结构简单，能快速准确地检测棒镜各个区域的面形信息，可直观地根据干涉条纹的弯曲程度来判断棒镜反射面的面形，干涉条纹弯曲越严重表明棒镜对应反射面的面形波动越大。
具体地，所述第二路光束透过CGH镜头后，转化为在传播方向汇聚、在垂直于传播方向平行的光束；所述第二路光束在CGH镜头的焦平面处聚焦成一条竖直的线形光，所述线形光与棒镜的轴线重合，此时第二路光束经过CGH镜头汇聚后的光束均与棒镜的外表面垂直，从而保证所有的第二路光束均能沿原路返回到激光干涉仪中与平面标准镜反射的第一路光束进行干涉。
具体地，所述工作台包括夹持机构、旋转机构、俯仰调节机构和位移机构；
所述夹持机构安装在旋转机构上，用于夹持棒镜；
所述旋转机构安装在俯仰调节机构上，用于在水平方向旋转棒镜，调整棒镜不同的待测区域；
所述俯仰调节机构安装在位移机构上，用于调节棒镜的角度，使棒镜的轴线与竖直方向平行，便于后续调节棒镜的位置使棒镜的轴线与第二路光束汇聚后产生的线性光重合；
所述位移机构用于调整棒镜的位置。
进一步地，所述俯仰调节机构包括X轴角度调节组件和Y轴角度调节组件，所述旋转机构安装在X轴角度调节组件上，所述X轴角度调节组件安装在Y轴角度调节组件上；所述X轴角度调节组件用于驱动旋转机构绕X轴旋转，所述Y轴角度调节组件用于驱动X轴角度调节组件绕Y轴旋转；所述X轴与Y轴均处于水平方向且相互垂直。通过X轴角度调节组件和Y轴角度调节组件配合调节棒镜的姿态，使棒镜的轴线与竖直方向平行。
进一步地，所述位移机构包括X轴位移组件和Y轴位移组件，所述Y轴角度调节组件安装在X轴位移组件上，所述X轴位移组件安装在Y轴位移组件上；所述X轴位移组件用于驱动Y轴角度调节组件沿X轴位移，所述Y轴位移组件用于驱动X轴位移组件沿Y轴位移。通过X轴位移组件和Y轴位移组件配合调节棒镜的位置，使棒镜的轴线与线性光重合。
与上述一种棒镜的面形检测装置相对应地，本发明还提出了一种棒镜的面形检测方法，包括以下步骤：
S1，开启激光干涉仪；
S2，通过工作台调整棒镜的姿态，使棒镜的轴线与竖直方向平行；
S3，通过工作台调整棒镜的位置，使第二路光束汇聚的线形光与棒镜的轴线重合；
S4，通过测量主机测量干涉条纹的弯曲程度得到棒镜反射面的面形；
S5，通过工作台调整棒镜在水平方向的角度，测量棒镜不同区域的面形。
具体地，步骤S3包括以下步骤：
S301，通过工作台调整棒镜的位置，使CGH镜头到棒镜的最短距离与CGH镜头的焦距相等，此时第二路光束经过CGH镜头汇聚后的线形光位于棒镜的外表面上；
S302，通过工作台调整棒镜的位置，使棒镜朝远离CGH镜头的方向水平移动棒镜半径的距离，此时第二路光束经过CGH镜头汇聚后的光束均与棒镜的外表面垂直，从而保证所有的第二路光束均能沿原路返回到激光干涉仪中与平面标准镜反射的第一路光束进行干涉。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的面形检测装置结构简单，利用干涉条纹弯曲程度与相干光的光程差之间的对应关系，以及光程差与棒镜反射面面形之间的对应关系，可直观地根据干涉条纹的弯曲程度来判断棒镜反射面的面形，干涉条纹弯曲越严重表明棒镜对应反射面的面形波动越大，能快速准确地检测棒镜各个区域的面形信息；且本发明的检测方法为非接触式测量，不会损伤棒镜表面的光洁度。
附图说明
图1为本发明实施例中一种棒镜的面形检测装置的光路结构示意图。
图2为本发明实施例中第二路光束经过CGH镜头后的汇聚光路结构示意图。
图3为本发明实施例中工作台的结构示意图。
图4为本发明实施例中第二路光束汇聚到棒镜表面时的光路结构示意图。
图5为本发明实施例中干涉仪产生的干涉图；其中，图5(a)为线形光落在棒镜表面时的干涉图；图5(b)为线形光与棒镜轴线重合时的干涉图。
图中：1、激光干涉仪；2、平面标准镜；3、CGH镜头；4、棒镜；5、工作台；6、线形光；7、夹持机构；8、旋转机构；9、X轴角度调节组件；10、Y轴角度调节组件；11、X轴位移组件；12、Y轴位移组件。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供了一种棒镜4的面形检测装置，包括测量主机、激光干涉仪1、平面标准镜2、CGH镜头3以及用于固定棒镜4的工作台5；
所述激光干涉仪1发出的平行光束到达平面标准镜2后分为两路，第一路光束被平面标准镜2反射回激光干涉仪1；第二路光束透过平面标准镜2后到达CGH镜头3，经CGH镜头3汇聚后到达棒镜4的表面，再经过棒镜4的表面反射后沿原光路返回至激光干涉仪1，反射回来的第二路光束与第一路光束在激光干涉仪1中产生干涉，测量主机通过测量干涉条纹的弯曲程度得到棒镜4反射面的面形，通过工作台5水平转动棒镜4得到棒镜4不同区域的面形。
本发明的面形检测装置结构简单，能快速准确地检测棒镜4各个区域的面形信息，可直观地根据干涉条纹的弯曲程度来判断棒镜4反射面的面形，干涉条纹弯曲越严重表明棒镜4对应反射面的面形波动越大。
具体地，如图2所示，所述第二路光束透过CGH镜头3后，转化为在传播方向汇聚、在垂直于传播方向平行的光束；所述第二路光束在CGH镜头3的焦平面处聚焦成一条竖直的线形光6，所述线形光6与棒镜4的轴线重合，此时第二路光束经过CGH镜头3汇聚后的光束均与棒镜4的外表面垂直，从而保证所有的第二路光束均能沿原路返回到激光干涉仪1中与平面标准镜2反射的第一路光束进行干涉。
具体地，如图3所示，所述工作台5包括夹持机构7、旋转机构8、俯仰调节机构和位移机构；
所述夹持机构7安装在旋转机构8上，用于夹持棒镜4；
所述旋转机构8安装在俯仰调节机构上，用于在水平方向旋转棒镜4，调整棒镜4不同的待测区域；
所述俯仰调节机构安装在位移机构上，用于调节棒镜4的角度，使棒镜4的轴线与竖直方向平行，便于后续调节棒镜4的位置使棒镜4的轴线与第二路光束汇聚后产生的线性光重合；
所述位移机构用于调整棒镜4的位置。
进一步地，所述俯仰调节机构包括X轴角度调节组件9和Y轴角度调节组件10，所述旋转机构8安装在X轴角度调节组件9上，所述X轴角度调节组件9安装在Y轴角度调节组件10上；所述X轴角度调节组件9用于驱动旋转机构8绕X轴旋转，所述Y轴角度调节组件10用于驱动X轴角度调节组件9绕Y轴旋转；所述X轴与Y轴均处于水平方向且相互垂直。通过X轴角度调节组件9和Y轴角度调节组件10配合调节棒镜4的姿态，使棒镜4的轴线与竖直方向平行。
进一步地，所述位移机构包括X轴位移组件11和Y轴位移组件12，所述Y轴角度调节组件10安装在X轴位移组件11上，所述X轴位移组件11安装在Y轴位移组件12上；所述X轴位移组件11用于驱动Y轴角度调节组件10沿X轴位移，所述Y轴位移组件12用于驱动X轴位移组件11沿Y轴位移。通过X轴位移组件11和Y轴位移组件12配合调节棒镜4的位置，使棒镜4的轴线与线性光重合。
本实施例还提出了一种棒镜4的面形检测方法，包括以下步骤：
S1，开启激光干涉仪1；
S2，通过工作台5调整棒镜4的姿态，使棒镜4的轴线与竖直方向平行；
S3，通过工作台5调整棒镜4的位置，使第二路光束汇聚的线形光6与棒镜4的轴线重合；
S4，通过Zygo干涉仪软件测量干涉条纹的弯曲程度得到棒镜4反射面的面形；
S5，通过工作台5调整棒镜4在水平方向的角度，测量棒镜4不同区域的面形。
具体地，步骤S3包括以下步骤：
S301，通过工作台5调整棒镜4的位置，使CGH镜头3到棒镜4的最短距离与CGH镜头3的焦距相等，此时第二路光束经过CGH镜头3汇聚后的线形光6位于棒镜4的外表面上，此时光路结构示意图如图4所示；
定义：X轴方向为光束传播方向，Y轴方向为与X轴垂直的方向；
调整时，首先通过Y轴位移组件12横向调整棒镜4的位置，使第二路光束照射到棒镜4的前表面上；再通过X轴位移组件11纵向调整棒镜4的位置，由远及近改变棒镜4与CGH镜头3之间的距离，可以在棒镜4的反射面上看到竖直光线的宽度由宽变窄，继续缩短棒镜4与CGH镜头3之间的距离，竖直光线的宽度又会由窄变宽；当棒镜4与CGH镜头3之间的距离刚好等于CGH镜头3的焦距时，竖直光线最窄，此时第二路光束汇聚成的线形光6刚好落在棒镜4的表面上；此时干涉仪得到的干涉条纹图如图5(a)所示；
S302，通过工作台5调整棒镜4的位置，使棒镜4朝远离CGH镜头3的方向水平移动棒镜4半径的距离，此时线形光6与棒镜4的轴线重合，如图1所示，第二路光束经过CGH镜头3汇聚后的光束均与棒镜4的外表面垂直，从而保证所有的第二路光束均能沿原路返回到激光干涉仪1中与平面标准镜2反射的第一路光束进行干涉；此时干涉仪得到的干涉条纹图如图5(b)所示。
本实施例中，根据干涉条纹的弯曲程度得到棒镜4反射面面形的原理为：
若棒镜4表面待检测区域(反射第二路光束的区域)沿轴向是光滑平整的，则第二路光束与第一路光束的光程差在待检测区域沿棒镜4轴向是相等的，那么在待检测区域沿棒镜4轴向分布的第二路光束与第一路光束产生的干涉条纹应当是等间隔布置的(平行)，即不会产生弯曲的干涉条纹；反之，若棒镜4表面待检测区域沿轴向不是光滑平整的，则分布在不平整位置的第二路光束对应的光程差与沿棒镜4轴向其余位置的第二路光束对应的光程差不相等，则不平整位置对应产生的干涉条纹与沿棒镜4轴向其余位置对应产生的干涉条纹不平行，即存在弯曲，如图5(b)所示；通过该方法，即可快速检测出棒镜4所有区域的面形数据。
本实施例中，所述旋转机构、X轴角度调节组件、Y轴角度调节组件、X轴位移组件和Y轴位移组件均可采用电机驱动，也可通过手轮配合齿轮来手动调节。具体实施过程中，还可借助水平仪、倾角传感器、测距仪等器件辅助调整棒镜的姿态及位置。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种棒镜的面形检测装置，其特征在于，包括测量主机、激光干涉仪、平面标准镜、CGH镜头以及用于固定棒镜的工作台；
所述激光干涉仪发出的平行光束到达平面标准镜后分为两路，第一路光束被平面标准镜反射回激光干涉仪；第二路光束透过平面标准镜后到达CGH镜头，经CGH镜头汇聚后到达棒镜的表面，再经过棒镜的表面反射后沿原光路返回至激光干涉仪，反射回来的第二路光束与第一路光束在激光干涉仪中产生干涉，测量主机通过测量干涉条纹的弯曲程度得到棒镜反射面的面形，通过工作台水平转动棒镜得到棒镜不同区域的面形。
2.根据权利要求1所述的一种棒镜的面形检测装置，其特征在于，所述第二路光束透过CGH镜头后，转化为在传播方向汇聚、在垂直于传播方向平行的光束；所述第二路光束在CGH镜头的焦平面处聚焦成一条竖直的线形光，所述线形光与棒镜的轴线重合。
3.根据权利要求1所述的一种棒镜的面形检测装置，其特征在于，所述工作台包括夹持机构、旋转机构、俯仰调节机构和位移机构；
所述夹持机构安装在旋转机构上，用于夹持棒镜；
所述旋转机构安装在俯仰调节机构上，用于在水平方向旋转棒镜；
所述俯仰调节机构安装在位移机构上，用于调节棒镜的角度，使棒镜的轴线与竖直方向平行；
所述位移机构用于调整棒镜的位置。
4.根据权利要求3所述的一种棒镜的面形检测装置，其特征在于，所述俯仰调节机构包括X轴角度调节组件和Y轴角度调节组件，所述旋转机构安装在X轴角度调节组件上，所述X轴角度调节组件安装在Y轴角度调节组件上；所述X轴角度调节组件用于驱动旋转机构绕X轴旋转，所述Y轴角度调节组件用于驱动X轴角度调节组件绕Y轴旋转；所述X轴与Y轴均处于水平方向且相互垂直。
5.根据权利要求4所述的一种棒镜的面形检测装置，其特征在于，所述位移机构包括X轴位移组件和Y轴位移组件，所述Y轴角度调节组件安装在X轴位移组件上，所述X轴位移组件安装在Y轴位移组件上；所述X轴位移组件用于驱动Y轴角度调节组件沿X轴位移，所述Y轴位移组件用于驱动X轴位移组件沿Y轴位移。
6.一种棒镜的面形检测方法，基于权利要求1至5中任一项所述的一种棒镜的面形检测装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1，开启激光干涉仪；
S2，通过工作台调整棒镜的姿态，使棒镜的轴线与竖直方向平行；
S3，通过工作台调整棒镜的位置，使第二路光束汇聚的线形光与棒镜的轴线重合；
S4，通过测量主机测量干涉条纹的弯曲程度得到棒镜反射面的面形；
S5，通过工作台调整棒镜在水平方向的角度，测量棒镜不同区域的面形。
7.根据权利要求6所述的一种棒镜的面形检测方法，其特征在于，步骤S3包括以下步骤：
S301，通过工作台调整棒镜的位置，使CGH镜头到棒镜的最短距离与CGH镜头的焦距相等，此时第二路光束经过CGH镜头汇聚后的线形光位于棒镜的外表面上；
S302，通过工作台调整棒镜的位置，使棒镜朝远离CGH镜头的方向水平移动棒镜半径的距离，此时第二路光束经过CGH镜头汇聚后的光束均与棒镜的外表面垂直。
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