CN202869452U - 一种锥镜检测装置 - Google Patents

Abstract

一种锥镜检测装置由斐索干涉仪、具有圆形光栅的玻璃基底组成，所述的玻璃基底的A面作为参考平面，B面用光刻法制作成圆形光栅，作为光栅面，所述玻璃基底的光栅面B与所述斐索干涉仪输出的单色平行光垂直，以及其检测锥镜方法。本实用新型实现了对各类锥镜的检测，弥补了现有技术中的空白。

Description

一种锥镜检测装置

技术领域

本实用新型涉及光学检测，特别是一种基于斐索干涉仪检测锥镜的装置。

背景技术

光学元件的传统检测方法与技术已沿用了数十年。光学检测涉及被测元件材料、口径、种类以及测试技术、仪器和设备等。被测元件的种类繁多，包括有平行平板、球面、非球面、自由曲面、衍射光栅、锥镜、柱面透镜等。光学检测中常用的主要仪器可分为干涉仪类、表面轮廓仪类、MTF测试仪类、精密球径仪类、中心偏测试仪类及其他仪器等。

国内外都在研制和发展各自的先进仪器。国内以南京理工大学和成都太科公司为代表的干涉仪制造厂家，各类数字式干涉仪的产品口径有Φ25mm~Φ600mm；进口以美国Zygo公司为代表的从口径4″~32″的各类干涉仪；Zygo公司以3D干涉显微镜为基本原理发展的非接触式表面轮廓仪，从早期的Maxim 3D 5700到现代New View 5000 3D等；英国Tayloy-Hobson触针式轮廓仪；满足实际需求的三坐标测量仪、4D干涉仪等。

然而，在光学检测仪器和技术上，仍存在很多问题和不足。目前，尚未有关于锥镜检测的方法或装置。现有检测仪器如Zygo干涉仪、牛顿干涉仪、4D干涉仪、Tayloy-Hobson等均无法检测锥镜表面。

实用新型内容

本实用新型的目的是以克服目前无法对锥镜进行检测的难题，提供一种锥镜检测装置。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种锥镜检测装置，其特点在于由斐索干涉仪、具有圆形光栅的玻璃基底组成，所述的玻璃基底的A面作为参考平面，B面用光刻法制作成圆形光栅，作为光栅面，所述玻璃基底的光栅面B与所述斐索干涉仪输出的单色平行光垂直。

一种利用所述的锥镜检测装置检测锥镜的方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

①在所述的斐索干涉仪输出的单色平行光依次设置所述的玻璃基底和待测锥镜，该待测锥镜的锥面与所述的斐索干涉仪输出的单色平行光相向；

②启动所述的斐索干涉仪，调整所述的玻璃基底，使所述的玻璃基底的参考平面A与所述的斐索干涉仪输出的单色平行光垂直，在所述的斐索干涉仪输出的单色平行光方向并在所述的玻璃基底的光栅面B外设置待测锥镜，使所述的锥镜的中轴线与所述的斐索干涉仪输出的单色平行光平行；

③利用斐索干涉仪对所述的锥镜进行测量，斐索干涉仪输出待测锥镜的结果。

所述的待测锥镜为凸面锥镜或凹面锥镜。

玻璃基底：

本实用新型的装置对玻璃基底的参考平面A有很高的要求，其面型精度应不大于λ/20。玻璃基底的光栅面B用光刻法制作成圆形光栅。

圆形光栅的参数制定：

光栅是一种由密集、等间距平行刻线构成的非常重要的光学器件。顾名思义，圆形光栅则由一系列密集、等间距的圆环构成，如图5所示。它基于多缝夫琅和费衍射效应，利用多缝衍射和干涉作用，将射到光栅上的光束按波长的不同进行色散，再经成像镜聚焦而形成光谱。

光栅方程满足：

D·sinθ= N·λ

其中：D为两狭缝之间的间距，称为光栅常数，θ为衍射角，N为光栅级数，λ为波长。

对于满足光栅方程的每个N值，都有相应的级光谱，每个波长的光能量分散在诸光谱级中。当波长为λ的平面波垂直入射于光栅时，每条狭缝上的点都扮演了次光源的角色；从这些次光源发出的光线沿所有方向传播（即球面波）。由于狭缝为无限长，可以只考虑与狭缝垂直的平面上的情况，即把狭缝简化为该平面上的一排点。则在该平面上沿某一特定方向的光场是由从每条狭缝出射的光相干叠加而成的。在发生干涉时，由于从每条狭缝出射的光在干涉点的相位都不同，它们之间会部分或全部抵消。然而，当从相邻两条狭缝出射的光线到达干涉点的光程差是光的波长的整数倍时，两束光线相位相同，就会发生干涉加强现象。

以上描述可用如下公式表示，当衍射角θ_N满足关系:

D·sinθ_N/λ=|N|时，发生干涉加强现象。

D为狭缝间距，即光栅常数，N是一个整数，取值为0，±1，±2，……。这种干涉加强点称为衍射极大。因此，衍射光将在衍射角为θ_N时取得极大。

当平面波以入射角θ_i入射时，光栅方程写为 

  D·(sinθ_N+sinθ_i)=N·λ            N=0,±1,±2,……

选择适当入射角θ_i﹐可使所需的波长及其邻近波段的绝大部分(达70%)的光能量集中到预定的光谱级中。

光栅强度分布如图7所示。光栅的主极大光强分布在N=0处，次极大光强分布在N=±1处。

本实用新型中，考虑到折射光线应与锥面垂直，且经过多次折射和反射后光强度的减弱，凸面锥镜选取N=1的次主极大光强处，凹面锥镜选取N=-1处的次主极大光强处。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：现有检测方法及干涉仪器多用于平面和球面光学零件的测量，对于锥镜的检测，目前未有更好的检测方法。本实用新型解决了现有检测方法、仪器等难以检测锥镜的问题。

附图说明

图1 是本实用新型斐索干涉仪检测凸面锥镜面型的示意图。

图2 是本实用新型斐索干涉仪检测凹面锥镜面型的示意图。

图3是本实用新型装置的光路图。

图4是具有圆形光栅的玻璃基底的侧视示意图。

图5 是玻璃基底光栅面B圆形光栅示意图。

图6 斐索干涉仪结构原理图。

图7是圆形光栅光强度分布。

图中：1—斐索干涉仪，2—斐索干涉仪镜头，3-—玻璃基底，4—待测凸面锥镜，5—待测凹面锥镜，6—平行单色光，7—参考平面A反射光线，8—光栅面B透射光线，9—锥镜反射光线，10—参考平面A透射光线，A—参考平面，B—光栅面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

图1 是本实用新型斐索干涉仪检测凸面锥镜面型的示意图，它主要由2个部分组成：

1、斐索干涉仪。斐索干涉仪的结构原理如图6所示。斐索干涉仪用一个经过很好校正的物镜准直从针孔发出的光。在准直物镜与针孔（空间滤波器）之间放置一个分光镜，以便从侧面观察干涉条纹。斐索干涉仪发出的光为平行单色光。

2、具有圆形光栅的玻璃基底。

玻璃基底的A面作为参考平面，B面用光刻法制作成圆形光栅，作为光栅面。圆形光栅选取N=±1级光谱。N=0级光谱处，折射光线的方向不可能与待测锥面垂直。N=±1级光谱为光强次极大处，可确保最后出射的光线能被观察到。光栅常数D 的选取，依据光栅方程D·sinθ= N·λ确定，其中衍射角θ由给定的锥镜角度得出。衍射角θ与待测锥镜的锥角之间满足θ=90^o-锥角/2。N=±1，λ=0.6328μm。光栅常数D的确定使得入射到锥面上的光线均与锥面垂直。

图2 是本实用新型斐索干涉仪检测凹面锥镜面型的示意图。玻璃基底的A面作为参考平面，要求其面型精度应不大于λ/20，B面用光刻法制作成圆形光栅，作为光栅面。本实用新型装置光路图如图3所示。斐索干涉仪发出的平行单色光6入射到玻璃基底后，一部分光被参考平面A反射，反射光线7携带标准平面波信息。另一部分光经参考平面A透射后入射到光栅面B。由于光栅面B的圆形光栅的作用，改变了从光栅面B透射的光的方向，使从光栅面B透射的光均垂直于锥镜表面。将光栅面B透射的光定义为光线8。光线8入射到锥镜表面后，由于光的方向均垂直于锥镜表面，使得在锥镜表面反射的光线9按照原路径返回并入射到光栅面B上，最后经参考平面A透射，定义为透射光线10。光线7与光线10满足频率相同、振动方向一致、相位差恒定三个条件，从而发生干涉现象，产生干涉条纹。通过斐索干涉仪观察干涉条纹并对干涉条纹进行分析从而得出锥镜表面的面型测量结果。

斐索干涉仪是一种比较常用的等厚干涉仪，主要用于检验平面或球面面型。斐索干涉仪的结构原理如图6所示。单色光源所发出的光被透镜会聚在圆孔光阑上，光阑位于准直物镜的焦平面上。从准直物镜出射的平行光束，在带有楔度的参考平面的下平面和被测平面的上平面反射回来，再通过准直物镜和物镜在目镜的焦平面上形成圆孔光阑的小孔的两个像。调整被测零件所在的工作台，使两个像重合。如果用望远放大镜代替目镜，就可以在被测平面看到等厚干涉条纹。利用上述斐索干涉仪的工作原理，在本实用新型装置中，光线7与光线10发生相干叠加，产生干涉条纹，并在斐索干涉仪中观察干涉条纹，由斐索干涉仪分析得出面型测量结果。

Claims (1)

1.一种锥镜检测装置，其特征在于由斐索干涉仪、具有圆形光栅的玻璃基底组成，所述的玻璃基底的A面作为参考平面，B面用光刻法制作成圆形光栅，作为光栅面，所述玻璃基底的光栅面B与所述斐索干涉仪输出的单色平行光垂直。

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