CN102901463B - 轴锥镜面形的测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种轴锥镜面形的测量装置和测量方法，该装置由移相干涉仪、平面标准镜、聚焦透镜和平面反射镜组成，其位置关系是：沿所述的移相干涉仪出射光束前进方向依次是所述的平面标准镜、聚焦透镜和平面反射镜，在所述的平面标准镜和聚焦透镜之间设置待测轴锥镜的插口。本发明具有装置结构简单、测量方法操作方便的特点。

Description

轴锥镜面形的测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及光学检测，特别是一种轴锥镜面形的测量装置和测量方法。

技术背景

轴锥镜是一个焦线沿光轴方向的旋转对称光学元件，由于它的长焦深以及窄的横向宽度的特性，它被广泛应用于激光束整形、激光钻孔技术、光学检测、激光谐振器等方面，这就对轴锥镜的面形精度提出了严格的要求，所以需要一个精确的方法对其面形进行测量。

在先技术[1](David Kupka,Philip Schlup,and Randy A.Bartels,“Self-referencedinterferometry for the characterization of axicon lens quality”,Appl.Opt.47(9):1200-1205(2008).)用于轴锥镜特性测量的一个简单的干涉仪。通过被测轴锥镜的光波与共线的参考光波发生干涉，利用产生的柱形对称自参考干涉图案获得被测轴锥镜面形的畸变。此方法需要利用反射镜的旋转来调整参考光束相对于测量光束的倾斜，使它们发生干涉，从中解出轴锥镜的面形信息，同时该方法只能测大锥角轴锥镜的面形。

在先技术[2](Jun Ma,Christof Pruss,Matthias,et al.“Axicon metrology using highline density computer-generated Holograms”,Proc.SPIE.8082,1-11(2011).)借助于干涉仪的零位测试，利用一个零位光学元件——计算全息图对锥形镜的锥角和面形误差给出高精度的***评估。此方法首先需要对干涉仪进行校准，其次需要把待测锥形镜进行轴向移动以及圆周旋转。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴锥镜面形的测量装置和测量方法。该装置和方法具有结构简单，易于测量等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种轴锥镜面形的测量装置，其特点在于该装置由移相干涉仪、平面标准镜、聚焦透镜和平面反射镜组成，其位置关系是：沿所述的移相干涉仪出射光束前进方向依次是所述的平面标准镜、聚焦透镜和平面反射镜，在所述的平面标准镜和聚焦透镜之间设置待测轴锥镜的插口。

利用上述轴锥镜面形的测量装置进行轴锥镜面形的测量方法，其特点在于该方法包括如下步骤：

①在移相干涉仪输出的平行光束方向的平面标准镜和聚焦透镜之间的待测轴锥镜的插口置入待测轴锥镜，所述的待测轴锥镜的锥面朝向移相干涉仪的出光方向；

②调整光路：所述的移相干涉仪出射的平行光束经所述的平面标准镜形成平行的测量光束，经所述的平面标准镜返回的光束形成参考光束；调整所述的平面标准镜的平行平面与所述的平行光束垂直；调整所述的待测轴锥镜的平面与测量光束垂直，同时保证所述的轴锥镜的中轴与移相干涉仪出射光束的中轴重合；调整所述的聚焦透镜与测量光束垂直，同时保证所述的聚焦透镜的光轴与移相干涉仪出射光束的中轴重合；调整所述的平面反射镜的平面与光轴垂直；

③所述的测量光束透过所述的轴锥镜入射到所述的聚焦透镜，经所述的聚焦透镜使光束会聚到所述的平面反射镜上，然后经所述的平面反射镜反射返回，该返回的测量光束与平面标准镜返回的参考光束产生干涉；

④调整所述的聚焦透镜与待测轴锥镜之间的距离获得完整清晰的干涉条纹，利用所述的移相干涉仪检测干涉条纹，即得到所述的轴锥镜的面形信息。

所述的待测轴锥镜为凸面轴锥镜或凹面轴锥镜。

与在先技术相比，本发明的技术效果如下：

1.本发明可以实现任意锥角的轴锥镜的面形检测；

2.本发明装置结构简单和测量方法操作方便。

附图说明

图1本发明轴锥镜面形检测装置测量凸面轴锥镜的原理图

图2为本发明轴锥镜面形检测装置测量凸面轴锥镜的光路图

图3为本发明轴锥镜面形检测装置测量凹面轴锥镜的原理图

图4为本发明轴锥镜面形检测装置测量凹面轴锥镜的光路图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1和图3，由图可见，本发明轴锥镜面形检测装置，该装置由移相干涉仪1、平面标准镜2、聚焦透镜4和平面反射镜5组成，其位置关系是：沿所述的移相干涉仪1出射光束前进方向上，依次是所述的平面标准镜2、聚焦透镜4和平面反射镜5。在所述的平面标准镜2和聚焦透镜4之间设置待测轴锥镜3的插口。

利用所述的轴锥镜面形测量装置进行轴锥镜面形的测量方法，包括如下步骤：

①在移相干涉仪1输出的平行光束方向平面标准镜2和聚焦透镜4之间置入待测轴锥镜3，所述的待测轴锥镜3的锥面朝向移相干涉仪1的出光方向；

②调整光路：所述的移相干涉仪1出射的光束经所述的平面标准镜2形成平行的测量光束，经所述的平面标准镜2返回的光束形成参考光束；调整所述的平面标准镜2的平行平面与所述的平行光束垂直；调整所述的待测轴锥镜3的平面与测量光束垂直，同时保证所述的轴锥镜3的中轴与移相干涉仪1出射光束的中轴重合；调整所述的聚焦透镜4与测量光束垂直，同时保证所述的聚焦透镜4的光轴与移相干涉仪1出射光束的中轴重合；调整所述的平面反射镜5的平面与光轴垂直；

③所述的测量光束透过所述的待测轴锥镜3入射到所述的聚焦透镜4，经所述的聚焦透镜4使光束会聚到所述的平面反射镜5上，然后经所述的平面反射镜5返回，该返回的测量光束与平面标准镜2返回的参考光束产生干涉；

④调整所述的聚焦透镜4与待测轴锥镜3之间的距离获得完整清晰的干涉条纹，利用所述的移相干涉仪1检测干涉条纹，即得到所述的待测轴锥镜3的面形信息。

实施例1－检测凸面轴锥镜的面形

图2为本发明轴锥镜面形检测装置测量凸面轴锥镜的光路图，由图可见，本发明实施例1的待测轴锥镜3是凸面轴锥镜，测量凸面轴锥镜面形的步骤如下：

①在移相干涉仪1输出的平行光束方向平面标准镜2和聚焦透镜4之间置入待测轴锥镜3，所述的待测轴锥镜3的锥面朝向移相干涉仪1的出光方向；

②调整光路：所述的移相干涉仪1出射的光束经所述的平面标准镜2形成平行的测量光束，经所述的平面标准镜2返回的光束形成参考光束；调整所述的平面标准镜2的平行平面与所述的平行光束垂直；调整所述的待测轴锥镜3的平面与测量光束垂直，同时保证所述的轴锥镜3中轴与移相干涉仪1出射光束的中轴重合；调整所述的聚焦透镜4与测量光束垂直，同时保证所述的聚焦透镜4的光轴与移相干涉仪1出射光束的中轴重合；调整所述的平面反射镜5的平面与光轴垂直；

③所述的移相干涉仪1出射的光束经所述的平面标准镜2形成平行的测量光束，经所述的平面标准镜2返回的光束形成参考光束；所述的测量光束透过所述的轴锥镜3入射到所述的聚焦透镜4，经所述的聚焦透镜4使光束会聚到所述的平面反射镜5上，然后经所述的平面反射镜5返回，该返回的测量光束与平面标准镜2返回的参考光束产生干涉；

④调整所述的聚焦透镜4与待测轴锥镜3之间的距离获得完整清晰的干涉条纹，利用所述的移相干涉仪1检测干涉条纹，从而得到所述的轴锥镜3的面形信息。

所述待测轴锥镜3的中心厚度、边缘厚度、折射率和锥角分别为b，a，n，θ，光束经待测轴锥镜3后的折射角β表示为：

$\mathrm{\β}=\arcsin \left\{n\sin \right[\mathrm{\θ}-\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{n}\right)\left]\right\}---\left(1\right)$

经待测轴锥镜3后的偏折光束相对于入射光束偏离的高度差Y为：

$Y=\frac{a+b}{2}\tan [\mathrm{\θ}-\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{n}\right)]---\left(2\right)$

待测轴锥镜3到所述的聚焦透镜4物方焦点的距离P表示为：

$P=\frac{1}{2}(\mathrm{\Φ}-2Y)c\tan \mathrm{\β}---\left(3\right)$

其中，Φ为待测轴锥镜的通光口径。

由上式从而得到所述的待测轴锥镜3到所述的聚焦透镜4的距离L应满足以下关系式：

L＝P+f        (4)

其中，f为所述的聚焦透镜4的物方焦距。

这样便可以利用移相干涉仪1获得干涉条纹，从而得到待测轴锥镜3的面形信息。

实施例2－测量凸面轴锥镜面形

图4为本发明轴锥镜面形检测装置测量凹面轴锥镜的光路图，由图可见，实施例2的待测轴锥镜3是凹面轴锥镜，测量凹面轴锥镜面形的步骤如下：

①在移相干涉仪1输出的平行光束方向依次置入平面标准镜2、待测凹面轴锥镜3、聚焦透镜4和平面反射镜5，所述的待测轴锥镜3的锥面朝向移相干涉仪1的出光方向；

②调整光路：所述的移相干涉仪1出射的光束经所述的平面标准镜2形成平行的测量光束，经所述的平面标准镜2返回的光束形成参考光束；调整所述的平面标准镜2的平行平面与所述的平行光束垂直；调整所述的待测轴锥镜3的平面与测量光束垂直，同时保证所述的轴锥镜3中轴与移相干涉仪1出射光束的中轴重合；调整所述的聚焦透镜4与测量光束垂直，同时保证所述的聚焦透镜4的光轴与移相干涉仪1出射光束的中轴重合；调整所述的平面反射镜5的平面与光轴垂直；

③所述的移相干涉仪1出射的光束经所述的平面标准镜2形成平行的测量光束，经所述的平面标准镜2返回的光束形成参考光束；所述的测量光束透过所述的轴锥镜3入射到所述的聚焦透镜4，经所述的聚焦透镜4使光束会聚到所述的平面反射镜5上，然后经所述的平面反射镜5反射回去，该返回的测量光束与平面标准镜2返回的参考光束产生干涉；

④调整所述的聚焦透镜4与待测轴锥镜3之间的距离获得完整清晰的干涉条纹，利用所述的移相干涉仪1检测干涉条纹，从而得到所述的轴锥镜3的面形信息。

所述待测轴锥镜3的中心厚度、边缘厚度、折射率和锥角分别为b，a，n，θ，光束经待测轴锥镜3后的折射角β表示为：

$\mathrm{\β}=\arcsin \left\{n\sin \right[\mathrm{\θ}-\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{n}\right)\left]\right\}---\left(5\right)$

经待测轴锥镜3后的偏折光束相对于入射光束偏离的高度差Y为：

$Y=\frac{a+b}{2}\tan [\mathrm{\θ}-\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{n}\right)]---\left(6\right)$

待测轴锥镜3到所述的聚焦透镜4物方焦点的距离P表示为：

$P=\frac{1}{2}(\mathrm{\Φ}+2Y)c\tan \mathrm{\β}---\left(7\right)$

其中，Φ为待测轴锥镜的通光口径。

由上式从而得到所述的待测轴锥镜3到所述的聚焦透镜4的距离L应满足以下关系式：

L＝f-P        (8)

其中，f为所述的聚焦透镜（4）的物方焦距。

这样便可以利用移相干涉仪1获得干涉条纹，即得到待测轴锥镜3的面形信息。

实验表明，本发明具有装置结构简单、测量方法操作方便的特点。

Claims (2)

1.一种利用轴锥镜面形的测量装置进行轴锥镜面形的测量方法，该测量装置由移相干涉仪、平面标准镜、聚焦透镜和平面反射镜组成，其位置关系是：沿所述的移相干涉仪出射光束前进方向依次是所述的平面标准镜、聚焦透镜和平面反射镜，在所述的平面标准镜和聚焦透镜之间设置待测轴锥镜的插口，其特征在于，该测量方法包括如下步骤：

①在移相干涉仪输出的平行光束方向的平面标准镜和聚焦透镜之间的待测轴锥镜的插口置入待测轴锥镜，所述的待测轴锥镜的锥面朝向移相干涉仪的出光方向；

②调整光路：所述的移相干涉仪出射的平行光束经所述的平面标准镜形成平行的测量光束，经所述的平面标准镜返回的光束形成参考光束；调整所述的平面标准镜的平行平面与所述的平行光束垂直；调整所述的待测轴锥镜的平面与测量光束垂直，同时保证所述的轴锥镜的中轴与移相干涉仪出射光束的中轴重合；调整所述的聚焦透镜与测量光束垂直，同时保证所述的聚焦透镜的光轴与移相干涉仪出射光束的中轴重合；调整所述的平面反射镜的平面与光轴垂直；

③所述的测量光束透过所述的轴锥镜入射到所述的聚焦透镜，经所述的聚焦透镜使光束会聚到所述的平面反射镜上，然后经所述的平面反射镜反射返回，该返回的测量光束与平面标准镜返回的参考光束产生干涉；

④调整所述的聚焦透镜与待测轴锥镜之间的距离获得完整清晰的干涉条纹，利用所述的移相干涉仪检测干涉条纹，即得到所述的轴锥镜的面形信息。

2.根据权利要求1所述的轴锥镜面形的测量方法，其特征在于，所述的待测轴锥镜为凸面轴锥镜或凹面轴锥镜。