CN115560705A - 目视观测与ccd显示两用的检测干涉装置及其检测方法 - Google Patents

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周頔
王连强
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Abstract

本发明涉及光学零件加工技术领域，具体提供了一种目视观测与CCD显示两用的检测干涉装置，包括检测台，检测台上置有激光器、聚光镜组、分光棱镜、准直物镜、楔镜、目镜分光镜、目镜和CCD相机；聚光镜组位于激光器上方，分光棱镜设于激光器侧部且位于聚光镜组的下方，准直物镜和楔镜位于分光棱镜和待检测光学镜之间，目镜分光镜及目镜的水平中心连线与分光棱镜的水平中心线共线，CCD相机位于目镜分光镜的上方。本发明还提供了一种目视观测与CCD显示两用的检测方法。本发明针对检测光学零件的应用场景，具有目视观测操作方便的优点，同时又可通过CCD相机快速准确的读取干涉图像的信息，不易受环境影响，适用性高。

Description

目视观测与CCD显示两用的检测干涉装置及其检测方法
技术领域
本发明涉及光学零件加工技术领域，尤其涉及一种目视观测与CCD显示两用的检测干涉装置及其检测方法。
背景技术
光学零件加工一般需经历铣磨、研磨、抛光等多个阶段，对于生产光学零件的厂家而言，在加工过程中，如何实现光学零件面形误差的快速检测是至关重要的一步，也是决定整个加工是否能达到高精度的关键步骤。
目前，常用的检测平面镜面形误差的方法包括接触式测量方法和非接触式测量方法。接触式测量通常为玻璃样板法，主要通过将样板的标准面与零件的待检面重合并加压，利用干涉条纹的形状和数量及移动方向来判断光学零件的面形误差；非接触式测量通常为采用老式的目视用干涉仪，如激光平面干涉仪，通过操作人员利用目视估读干涉条纹的数目和形变来得到待测平面镜的面形误差。玻璃样板法的优点是易于操作且方法简单，但接触式测量容易磨损待测平面镜的标准面，同时随着使用次数的逐渐增加，测量误差也随之增加；而非接触式测量虽不存在标准面磨损的问题，但读数误差与操作人员的技术水平息息相关，且普遍估读精度为1/10λ，因此很难保证测量的准确性。
为了避免上述问题，目前部分实验室和研究所开始使用数字式干涉仪来对平面光学零件进行更高精度的面形检测，但数字式干涉仪的价格相对昂贵，且数字式干涉仪对使用环境的要求较高，不利于大规模推广。
综上所述，针对于检测光学零件的使用场景，如何设计一种兼具原有目视观测操作方便的优点，同时又能对干涉图像快速准确地读取面形信息的检验干涉装置及其检测方法，是当下亟需解决的问题。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种目视观测与CCD显示两用的检测干涉装置及其检测方法，兼具目视观测和CCD显示的优点，可降低检测成本、降低对检测环境的要求、提高检测的准确性和适用性。
为达到上述目的，本发明提出如下技术方案：一种目视观测与CCD显示两用的检测干涉装置，包括检测台，检测台上置有激光器和位于激光器上方的聚光镜组，聚光镜组的中轴线与激光器的光轴垂直设置；激光器侧部设有位于聚光镜组下方的分光棱镜；分光棱镜的下方设有同轴的干涉镜组，待检测光学镜放置于检测台的容置区内且位于干涉镜组的下方；分光棱镜远离激光器的一侧设有目视观测镜组和CCD相机，目视观测镜组的水平中心连线与分光棱镜的水平中心线共线，CCD相机位于目视观测镜组的上方。
优选的，目视观测镜组包括依次设于分光棱镜侧部的目镜分光镜和目镜，人眼通过目镜进行观测；目镜分光镜及目镜的水平中心连线与分光棱镜的水平中心线共线；CCD相机位于目镜分光镜的上方。
优选的，分光棱镜由对称设置的上三棱锥和下三棱锥胶合而成，上三棱锥与下三棱锥的胶合面为分光棱镜的分光面；上三棱锥的锥面为分光棱镜的入射面，下三棱锥的锥面为分光棱镜的出射面。
优选的，分光棱镜的分光面与水平面之间的夹角为45°。
优选的，目镜分光镜的分光面与分光棱镜的分光面平行设置；目镜分光镜的透射光线与反射光线的光程相等。
优选的，目镜沿竖直方向设置；CCD相机的靶面沿水平面方向设置，CCD相机上配置有成像镜头，CCD相机的高度可调。
优选的，干涉镜组从上至下依次包括准直物镜和楔镜，待检测光学镜置于楔镜的下方；楔镜的下表面为平行面，上表面为斜面；光束穿过分光棱镜并经准直物镜准直后变成平行光射出，光束的直径为可检测的最大有效口径；平行光通过楔镜并分成两束光进行反射。
优选的，分光棱镜的分光面和目镜分光镜的分光面上均镀设有分光膜和增透膜；激光器1为圆光斑氦氖激光器或半导体激光器。
优选的，包括如下步骤：
S1：将待检测光学镜置于检测台的容置区内；
S2：打开激光器；
S3：激光器发出的激光通过聚光镜组进行扩束；
S4：经扩束后的光束从分光棱镜的入射面穿过分光棱镜并通过准直物镜准直；
S5：准直后的光束变成平行光射出，平行光在通过楔镜的下表面后分成两束光；光束一直接向回反射，光束二透射至待检测光学镜的上表面上并向回反射，光束一的反射光和光束二的反射光之间存在的稳定相位差并发生干涉；
S6：光束一的反射光和光束二的反射光均从分光棱镜的出射面穿过分光棱镜后再穿过目镜分光镜；
S7：目镜分光镜处形成两束光，两束光分别为光束三和光束四；光束三在目镜分光镜和目镜中透射后变成平行光并进入人眼成像；光束四经目镜分光镜反射后进入CCD相机的靶面并形成干涉条纹图像。
优选的，步骤S7中，当人眼或CCD相机接收的检测目标不清晰或位于视场外部时，对容置区中待检测光学镜的角度和高度进行调节，再重复操作步骤S3-S7，直至经目镜进入人眼的平行光可清晰成像；再通过CCD相机获取干涉条纹信息进而判断待检测光学镜的平面度。
本发明有益效果是：
1、本发明将人眼目视观测与CCD显示相结合，可通过人眼观测对检测位置进行初调，通过CCD相机对检测目标进行精调并获取准确的干涉条纹信息；相对于玻璃样板法而言，可避免对待测光学平面镜的标准面造成磨损；相对于非接触式检测法而言，可大大提高检测结果的准确性；相对于采用数字式干涉仪而言，可降低检测成本，同时可提高检测的通用性和适用性。
2、本发明中聚光镜组的中轴线与激光器的光轴垂直设置；目镜分光镜及目镜的水平中心连线与分光棱镜的水平中心线共线；准直物镜和棱镜同轴设置；分光棱镜的分光面与水平面之间的夹角为45°；目镜分光镜的分光面与分光棱镜的分光面平行设置；上述设置可提高检测的准确性。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的检测干涉装置的结构示意图。
附图标记：1、激光器；2、聚光镜组；3、分光棱镜；4、准直物镜；5、楔镜；6、待检测光学镜；7、目镜分光镜；8、目镜；9、人眼；10、CCD相机；11、分光棱镜的分光面；12、目镜分光镜的分光面；13、上三棱锥；14、下三棱锥。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
一种目视观测与CCD显示两用的检测干涉装置，包括检测台，检测台上包括待检测光学镜6的容置区，进行检测时，待检测光学镜6放置于检测台的容置区内；本实施例中的待检测光学镜6为平面镜。如图1所示，检测台上设有激光器1和位于激光器1上方的聚光镜组2，激光器11为圆光斑氦氖激光器或半导体激光器，聚光镜组2内包括多个聚光镜，聚光镜组2的中轴线与图1中S处所示的水平面平行，激光器1的光轴与聚光镜组2的中轴线垂直设置。
如图1所示，激光器1的侧部设有位于聚光镜组2下方的分光棱镜3；分光棱镜3由对称设置的上三棱锥13和下三棱锥14胶合而成，上三棱锥13与下三棱锥14的胶合面为分光棱镜的分光面11，分光棱镜的分光面11上镀设有分光膜和增透膜；上三棱锥13的锥面为分光棱镜3的入射面，下三棱锥14的锥面为分光棱镜3的出射面；分光棱镜的分光面11与水平面S之间的夹角为45°。
分光棱镜3的下方设有同轴的干涉镜组，待检测光学镜6放置于检测台的容置区内且位于干涉镜组的下方；干涉镜组从上至下依次包括准直物镜4和楔镜5，待检测光学镜6置于楔镜5的下方；楔镜5的下表面为平行面，楔镜5的上表面为斜面；光束穿过分光棱镜3并经准直物镜4准直后变成平行光射出，光束的直径为可检测的最大有效口径；平行光通过楔镜5并分成两束光进行反射；两束光分别为光束一和光束二，光束一直接向回反射，光束二透射至待检测光学镜6的上表面上并向回反射，光束一的反射光和光束二的反射光同频，且光束一的反射光和光束二的反射光之间存在的稳定相位差并发生干涉。
分光棱镜3远离激光器1的一侧设有目视观测镜组和CCD相机10，CCD相机10位于目视观测镜组的上方，目视观测镜组的水平中心连线L与分光棱镜3的水平中心线共线；具体为，目视观测镜组包括依次设于分光棱镜3侧部的目镜分光镜7和目镜8，目镜8沿竖直方向设置且与水平面S垂直，目镜分光镜的分光面12上镀设有分光膜和增透膜；人眼9通过目镜8进行观测；目镜分光镜7及目镜8的水平中心连线L与分光棱镜3的水平中心线共线且均与水平面S平行；目镜分光镜12的分光面与分光棱镜的分光面11平行设置；目镜分光镜7的透射光线与反射光线的光程相等。
如图1所示，CCD相机10位于目镜分光镜7的上方，CCD相机10的靶面沿水平面方向设置，CCD相机10上配置有成像镜头且CCD相机10的高度可调。
该检测干涉装置的姿态可通过三顶三拉结构或两顶两拉结构调节，高度可通过Z轴位移台进行调节。
一种目视观测与CCD显示两用的检测方法，采用上述检测装置对待检测光学镜6的平面度进行检测，即对待检测光学镜6的面形误差进行检测，包括如下步骤：
S1：将待检测光学镜6置于检测台的容置区内；
S2：打开激光器1；
S3：激光器1发出的激光通过聚光镜组2进行扩束；
S4：经扩束后的光束从分光棱镜3的入射面穿过分光棱镜3并通过准直物镜4准直；
S5：准直后的光束变成平行光射出，平行光在通过楔镜5的下表面后分成两束光；光束一直接向回反射，光束二透射至待检测光学镜6的上表面上并向回反射，光束一的反射光和光束二的反射光之间存在的稳定相位差并发生干涉；
S6：光束一的反射光和光束二的反射光均从分光棱镜3的出射面穿过分光棱镜3后再穿过目镜分光镜7；
S7：目镜分光镜7处形成两束光，两束光分别为光束三和光束四；光束三在目镜分光镜7和目镜8中透射后变成平行光并进入人眼9成像；光束四经目镜分光镜7反射后进入CCD相机10的靶面并形成干涉条纹图像；当人眼9或CCD相机10接收的检测目标图像不清晰或位于视场外部时，对容置区中待检测光学镜6的角度和高度进行调节，再重复操作步骤S3-S7，直至经目镜8进入人眼9的平行光可清晰成像；再通过CCD相机10获取干涉条纹信息进而判断待检测光学镜6的平面度。
值得注意的是，当需要对光学零件的平行度进行检测时，可拆下楔镜5，将待检测平面镜6上移至楔镜5所处的位置，重复上述步骤即可完成对光学零件平行度的检测。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种目视观测与CCD显示两用的检测干涉装置，包括检测台，其特征在于，所述检测台上置有激光器(1)和位于激光器(1)上方的聚光镜组(2)，聚光镜组(2)的中轴线与激光器(1)的光轴垂直设置；所述激光器(1)侧部设有位于聚光镜组(2)下方的分光棱镜(3)；所述分光棱镜(3)的下方设有同轴的干涉镜组，待检测光学镜(6)放置于检测台的容置区内且位于干涉镜组的下方；所述分光棱镜(3)远离激光器(1)的一侧设有目视观测镜组和CCD相机(10)，所述目视观测镜组的水平中心连线与分光棱镜(3)的水平中心线共线，所述CCD相机(10)位于目视观测镜组的上方。
2.根据权利要求1所述的目视观测与CCD显示两用的检测干涉装置，其特征在于，所述目视观测镜组包括依次设于分光棱镜(3)侧部的目镜分光镜(7)和目镜(8)，人眼(9)通过目镜(8)进行观测；所述目镜分光镜(7)及目镜(8)的水平中心连线与分光棱镜(3)的水平中心线共线；所述CCD相机(10)位于目镜分光镜(7)的上方。
3.根据权利要求2所述的目视观测与CCD显示两用的检测干涉装置，其特征在于，所述分光棱镜(3)由对称设置的上三棱锥(13)和下三棱锥(14)胶合而成，上三棱锥(13)与下三棱锥(14)胶合的胶合面为分光棱镜的分光面(11)；上三棱锥(13)的锥面为分光棱镜(3)的入射面，下三棱锥(14)的锥面为分光棱镜(3)的出射面。
4.根据权利要求3所述的目视观测与CCD显示两用的检测干涉装置，其特征在于，所述分光棱镜的分光面(11)与水平面之间的夹角为45°。
5.根据权利要求4所述的目视观测与CCD显示两用的检测干涉装置，其特征在于，所述目镜分光镜(12)的分光面与分光棱镜的分光面(11)平行设置；目镜分光镜(7)的透射光线与反射光线的光程相等。
6.根据权利要求5所述的目视观测与CCD显示两用的检测干涉装置，其特征在于，所述目镜(8)沿竖直方向设置；所述CCD相机(10)的靶面沿水平面方向设置，CCD相机(10)上配置有成像镜头，CCD相机(10)的高度可调。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的目视观测与CCD显示两用的检测干涉装置，其特征在于，所述干涉镜组从上至下依次包括准直物镜(4)和楔镜(5)，待检测光学镜(6)置于楔镜(5)的下方；所述楔镜(5)的下表面为平行面，楔镜(5)的上表面为斜面；光束穿过分光棱镜(3)并经准直物镜(4)准直后变成平行光射出，光束的直径为可检测的最大有效口径；平行光通过楔镜(5)并分成两束光进行反射。
8.根据权利要求7所述的目视观测与CCD显示两用的检测干涉装置，其特征在于，所述分光棱镜的分光面(11)和目镜分光镜的分光面(12)上均镀设有分光膜和增透膜；激光器(1)为圆光斑氦氖激光器或半导体激光器。
9.一种目视观测与CCD显示两用的检测方法，采用权利要求1-8中的检测装置对待检测光学镜(6)的平面度进行检测，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将待检测光学镜(6)置于检测台的容置区内；
S2：打开激光器(1)；
S3：激光器(1)发出的激光通过聚光镜组(2)进行扩束；
S4：经扩束后的光束从分光棱镜(3)的入射面穿过分光棱镜(3)并通过准直物镜(4)准直；
S5：准直后的光束变成平行光射出，平行光在通过楔镜(5)的下表面后分成两束光；光束一直接向回反射，光束二透射至待检测光学镜(6)的上表面上并向回反射，光束一的反射光和光束二的反射光之间存在的稳定相位差并发生干涉；
S6：光束一的反射光和光束二的反射光均从分光棱镜(3)的出射面穿过分光棱镜(3)后再穿过目镜分光镜(7)；
S7：目镜分光镜(7)处形成两束光，两束光分别为光束三和光束四；光束三在目镜分光镜(7)和目镜(8)中透射后变成平行光并进入人眼(9)成像；光束四经目镜分光镜(7)反射后进入CCD相机(10)的靶面并形成干涉条纹图像。
10.根据权利要求9所述的目视观测与CCD显示两用的检测方法，其特征在于，步骤S7中，当人眼(9)或CCD相机(10)接收的检测目标不清晰或位于视场外部时，对容置区中待检测光学镜(6)的角度和高度进行调节，再重复操作步骤S3-S7，直至经目镜(8)进入人眼(9)的平行光可清晰成像；再通过CCD相机(10)获取干涉条纹信息进而判断待检测光学镜(6)的平面度。
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