CN103308281A - 楔形透镜的检测装置和检测方法 - Google Patents

楔形透镜的检测装置和检测方法 Download PDF

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Abstract

一种楔形透镜的检测装置和检测方法，该楔形透镜检测装置构成包括4D动态干涉仪、补偿镜组、平台、标准反射镜、高精度转台调整架、立方棱镜、自准直平行光管，本发明利用机械与光学相结合的方法来测量，它能够实现高精度测量，并分别得出楔形透镜的楔角差和塔差的值。本发明可广泛应用于楔形透镜的加工和检测，特别是针对高精度的楔形透镜，此方法能够满足各种外形、大小的楔形透镜的检测。

Description

楔形透镜的检测装置和检测方法
技术领域
本发明涉及光学元件，特别是一种楔形透镜的检测装置和检测方法，可广泛应用于楔形透镜的加工和检测，特别是针对高精度的楔形透镜，此方法能够满足各种外形、大小的楔形透镜的检测，并达到精确度高、测量误差小的要求。
背景技术
楔形透镜是平凸透镜和直角棱镜的组合。关于楔形透镜的检测，最重要的两个检测指标是楔角差和塔差。实际加工的楔形透镜楔角度数与理论设计的楔角度数之差即为楔角差；垂直于光传播方向的面相交的棱在楔形透镜展开后都应该是相互平行的，如果有不平行出现即为楔形透镜的塔差。由于楔形透镜一面为球面/非球面，另一面为平面，球面/非球面上任何一点都可与对应的球心形成一条光轴，因此采用常规的光学方法无法精确测得最终楔角差和塔差，只能基于机械与光学相结合的方法来测量。
目前，对楔形透镜常用的检测方法是使用三坐标仪或经纬仪。三坐标仪是通过测量透镜表面多点的坐标，经过计算机软件凝合坐标点得出楔形透镜的楔角差和塔差，此方法由于测量点是在透镜的曲面上，测量误差较大，无法满足高精度楔形透镜的检测要求。使用经纬仪检测时是将经纬仪放置在检测光路中，测得光路中标准反射镜和楔形透镜斜面的夹角，此方法虽然测量精度好于三坐标仪，但无法分别测出楔角差和塔差的值。以上两种方法均只能适用一般精度的楔形透镜，对于高精度楔形透镜测量，会造成一定的测量误差（包括塔差和楔角差），给加工带来很大的困难。
发明内容
本发明的目的是要提供一种楔形透镜的检测装置和检测方法，该方法能对在加工、检验中的楔形透镜的楔角差和塔差进行精确测量，提供精确的加工参数。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于楔形透镜的检测装置，特点在于其构成包括4D动态干涉仪、补偿镜组、平台、标准反射镜、高精度转台调整架、立方棱镜、自准直平行光管，上述元件的位置关系如下：
楔形透镜置于平台上，依次设置的4D动态干涉仪、补偿镜组、楔形透镜和标准反射镜同光轴形成波前检测光路，高精度转台调整架与立方棱镜放置于楔形透镜和标准反射镜中间，立方棱镜放置在高精度转台调整架上，立方棱镜的四个侧面平行于高精度转台调整架的转轴，并且高精度转台调整架的转轴垂直于检测光路的光轴，自准直平行光管的光轴同时垂直于检测光路的光轴和高精度转台调整架的转轴。
所述的高精度转台调整架由上二维调整架、下二维调整架和精密转台组成。上二维调整架主要用于调整立方棱镜的四个侧面与高精度转台调整架的转轴平行；下二维调整架主要用于调整高精度转台调整架的转轴与检测光路垂直，确保测量的正确性；精密转台是为了在旋转过程中的获取精确读数。
所述的上二维调整架，其特点在于该调整架由调节手轮、小钢球、螺母A、上板、顶块、下板、螺钉、簧管、球面弹簧垫片、大钢球组成；
所述的下二维调整架，其特点在于该调整架由底脚、螺母B、底板、锁紧螺母、垫脚组成；
所述的精密转台，其特点在于该转台是通过电脑软件驱动与检测，得出测量值。
一种楔形透镜的检测方法，其特点在于该方法包括下列步骤：
①4D动态干涉仪设置直径为2mm的细光束输出，校正4D动态干涉仪与楔形透镜同轴并且确保通过楔形透镜球面的中心点；
②在4D动态干涉仪与楔形透镜之间放入补偿镜组，先校正补偿镜组与4D动态干涉仪同轴和间距，再校正楔形透镜与补偿镜组的面间距，最后将标准反射镜面垂直与检测光轴；
③将4D动态干涉仪设置为测试状态，配上与楔形透镜的焦距与通光口径的比值相匹配的球面镜头匹配的球面镜头，精调标准反射镜的二维角度以及微调补偿镜组和楔形透镜的距离，使干涉图像置零场位置（零场位置指干涉条纹数最少的位置），波前检测光路调试完成；
④在楔形透镜与标准反射镜之间放置高精度转台调整架与立方棱镜，通过调整自准直平行光管使得立方棱镜的自准像反射到自准直平行光管视场中心；
⑤以此位置为基准，旋转精密转台角度180°，同时调整上二维调整架的角度，用自准直平行光管监测自准像的位置，如果自准像的位置有上下偏差，上二维调整架调整其偏差量的1/2,自准直平行光管调也调整其偏差量的1/2，使得调整后所看到的自准像的位置位于自准直平行光管视场中心；
⑥旋转精密转台角度90°，同时调整上二维调整架的角度，用自准直平行光管监测自准像的位置，如果自准像的位置有上下偏差，上二维调整架调整其偏差量的1/2,自准直平行光管也调整其偏差量的1/2，使得调整后所看到的自准像的位置位于自准直平行光管视场中心；
⑦通过重复⑤、⑥，使立方棱镜四个侧面的自准像全部在自准直平行光管视场中心，即立方棱镜的四个侧面平行于高精度转台调整架的转轴；
⑧将高精度转台调整架顺时针转使检测光路的光通过立方棱镜表面反射到自准直平行光管视场内，调整高精度转台调整架中的下二维调整架，使得检测光路的光束水平方向的中心位置调到自准直平行光管视场中心；
⑨将高精度转台调整架逆时针转回步骤⑧的旋转角度，并调整自准直平行光管的俯仰角度，使立方棱镜的自准像通过视场中心；
⑩将高精度转台调整架逆时针转使标准反射镜的自准像的中心位置位于自准直平行光管水平方向的视场中心，再将高精度转台调整架顺时针转45°，调整自准直平行光管的左右角度，使立方棱镜的自准像的中心位置位于自准直平行光管水平方向的视场中心；
Figure BDA00003275292200031
重复⑧-⑩步骤，确保高精度转台调整架的转轴垂直于检测光路的光轴，且自准直平行光管的光轴同时垂直于检测光路的光轴和高精度转台调整架的转轴。
Figure BDA00003275292200032
将电脑控制软件上高精度转台调整架读数置零；
Figure BDA00003275292200033
逆时针旋转高精度转台调整架使得楔形透镜平面的自准像通过立方棱镜的表面反射到自准直平行光管视场水平方向的中心位置，根据电脑控制软件记录高精度转台调整架的读数为γ1，并记录自准直平行光管自准像上下方向偏离视场中心的角度读数为θ1；
Figure BDA00003275292200034
根据折射定律：n·sinθ=sinθ1,n为楔形透镜材料折射率，计算得塔差为：θ=arcsin（sinθ1/n）;
将高精度转台调整架通过电脑软件控制顺时针转回γ1角度，即为零位；
Figure BDA00003275292200036
再顺时针旋转高精度转台调整架使得标准反射镜平面的自准像通过立方棱镜的表面反射到自准直平行光管视场水平方向的中心位置，根据电脑控制软件记录高精度转台调整架的读数为γ2；
Figure BDA00003275292200041
楔形透镜的折射角β=180°-（γ1+γ2）；
根据折射定律：n·sinα=sinβ,n为楔形透镜材料折射率，计算得楔角为：α=arcsin（sinβ/n），计算的楔角差为：Δα=|α-α理论|。
本发明的技术效果：
由于本检测方法基于机械与光学相结合的方式，有效避免了现有楔形透镜测量方法中无法分别精确测量楔角差和塔差的问题，通过使用高精度转台调整架的反复测量，提高了测量的可靠性，并将测量精度提高到小于5″，远高于现有的测量精度。
附图说明
图1是楔形透镜检测装置示意图
图2是高精度转台调整架结构图
图3是波前检测光路图
图4是楔形透镜检测光路图
图5是楔形透镜检测光路图（逆时针旋转立方棱镜时）
图6是楔形透镜检测光路图（顺时针旋转立方棱镜时）
图7是局部计算图（逆时针旋转立方棱镜时）
图8是局部计算图（顺时针旋转立方棱镜时）
图中：1－4D动态干涉仪；2－补偿镜组；3－楔形透镜；4－标准反射镜；5－高精度转台调整架；5-1－调节手轮；5-2－小钢球；5-3－螺母A；5-4－上板；5-5－顶块；5-6－下板；5-7－螺钉；5-8－簧管；5-9－球面弹簧垫片；5-10－大钢球；5-11－底脚；5-12－螺母B；5-13－底板；5-14－锁紧螺母；5-15－垫脚；5-16－精密转台；6－立方棱镜；7－自准直平行光管。
具体实施方式
下面结合实施例和附图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。
本实施例中，被测的楔形透镜3外形为370mm×370mm的方形，焦距为2200mm,通光口径为340mm×340mm，材料为石英，材料折射率为1.45711，楔角理论值为11°13′，所选择的立方棱镜6的尺寸为100mm×100mm×100mm，精度为小于2″，精密转台5-16的精度为0.1″，自准直平行光管7的精度为0.1″。
先请参阅图1和图4，图1是楔形透镜检测装置，图4是楔形透镜检测光路图，由图可见，本发明楔形透镜的检测装置包括4D动态干涉仪1、补偿镜组2、待测楔形透镜3置放平台8、标准反射镜4、高精度转台调整架5、立方棱镜6、自准直平行光管7，上述元件的位置关系如下：
4D动态干涉仪1、补偿镜组2、楔形透镜3和标准反射镜4同光轴形成波前检测光路，高精度转台调整架5与立方棱镜6放置于楔形透镜3和标准反射镜4之间，立方棱镜6放置在高精度转台调整架5上，立方棱镜6的四个侧面平行于高精度转台调整架5的转轴，并且高精度转台调整架5的转轴垂直于检测光路的光轴，自准直平行光管7的光轴同时垂直于检测光路的光轴和高精度转台调整架5的转轴。
如图2高精度转台调整架结构图所示，所述的由上二维调整架、下二维调整架和精密转台5-16组成。上二维调整架主要用于调整立方棱镜6的四个侧面与高精度转台调整架5的转轴平行；下二维调整架主要用于调整高精度转台调整架5的转轴与检测光路垂直，确保测量的正确性；精密转台5-16是为了在旋转过程中的获取精确读数。
所述的上二维调整架，由调节手轮5-1、小钢球5-2、螺母A5-3、上板5-4、顶块5-5、下板5-6、螺钉5-7、簧管5-8、球面弹簧垫片5-9、大钢球5-10组成；
所述的下二维调整架，由底脚5-11、螺母B5-12、底板5-13、锁紧螺母5-14、垫脚5-15组成；
所述的精密转台5-16通过电脑软件驱动与检测，得出测量值。
一种楔形透镜的检测方法，该方法包括下列步骤：
①4D动态干涉仪1设置直径为2mm的细光束输出，校正4D动态干涉仪1与楔形透镜3同轴并且确保细光束通过楔形透镜3球面的中心点；
②在4D动态干涉仪1与楔形透镜3之间放入补偿镜组2，先校正补偿镜组2与4D动态干涉仪1同轴和间距，再校正楔形透镜3与补偿镜组2的面间距，最后将标准反射镜4镜面垂直于检测光轴；
③将4D动态干涉仪1设置为测试状态，配上与楔形透镜3的焦距与通光口径的比值相匹配的球面镜头，本例中选择焦距与通光口径的比值为5的球面镜头，精调标准反射镜4的二维角度以及微调补偿镜组2和楔形透镜3的距离，使干涉图像置零场位置（零场位置指干涉条纹数最少的位置），波前检测光路（图3）调试完成；
④在楔形透镜3与标准反射镜4之间放置高精度转台调整架5与立方棱镜6，通过调整自准直平行光管7使得立方棱镜6的自准像反射到自准直平行光管7的视场中心；
⑤以此位置为基准，旋转精密转台5-16角度180°，同时调整上二维调整架的角度，用自准直平行光管7监测自准像的位置，如果自准像的位置有上下偏差，上二维调整架调整其偏差量的1/2，自准直平行光管调7也调整其偏差量的1/2，使得调整后所看到的自准像的位置位于自准直平行光管7的视场中心；
⑥旋转精密转台5-16角度90°，同时调整上二维调整架的角度，用自准直平行光管7监测自准像的位置，如果自准像的位置有上下偏差，上二维调整架调整其偏差量的1/2，自准直平行光管7也调整其偏差量的1/2，使得调整后所看到的自准像的位置位于自准直平行光管7的视场中心；
⑦重复步骤⑤、⑥，使立方棱镜6四个侧面的自准像全部在自准直平行光管7的视场中心，即立方棱镜6的四个侧面平行于高精度转台调整架5的转轴；
⑧将高精度转台调整架5顺时针转使检测光路的光通过立方棱镜6表面反射到自准直平行光管7视场内，调整高精度转台调整架5中的下二维调整架，使得检测光路的光束水平方向的中心位置调到自准直平行光管7的视场中心；
⑨将高精度转台调整架5逆时针转回步骤⑧的旋转角度，并调整自准直平行光管7的俯仰角度，使立方棱镜6的自准像通过视场中心；
⑩如图5楔形透镜检测光路（逆时针旋转立方棱镜时）所示，将高精度转台调整架5逆时针转，使标准反射镜4的自准像的中心位置位于自准直平行光管7水平方向的视场中心。如图6楔形透镜检测光路（顺时针旋转立方棱镜时）所示，再将高精度转台调整架5顺时针转45°，调整自准直平行光管7的左右角度，使立方棱镜6的自准像的中心位置位于自准直平行光管7水平方向的视场中心；
Figure BDA00003275292200061
重复⑧-⑩步骤，确保高精度转台调整架5的转轴垂直于检测光路的光轴，且自准直平行光管7的光轴同时垂直于检测光路的光轴和高精度转台调整架5的转轴；
Figure BDA00003275292200071
将电脑控制软件上高精度转台调整架5读数置零；
Figure BDA00003275292200072
如图7局部计算图（逆时针旋转立方棱镜时）所示，逆时针旋转高精度转台调整架5，使得楔形透镜3平面的自准像通过立方棱镜6的表面反射到自准直平行光管7视场水平方向的中心位置，此时，根据电脑控制软件记录高精度转台调整架5的读数为γ1=73.592°，并记录自准直平行光管7自准像上下方向偏离视场中心的角度读数为θ1=92″；
Figure BDA00003275292200073
根据折射定律：n·sinθ=sinθ1,n为楔形透镜3材料折射率，计算得塔差为：θ=arcsin（sinθ1/n）=63.14″;
Figure BDA00003275292200074
将高精度转台调整架5通过电脑软件控制顺时针转回γ1=73.592°角度，即为零位；
Figure BDA00003275292200075
再顺时针旋转高精度转台调整架5使得标准反射镜4平面的自准像通过立方棱镜6的表面反射到自准直平行光管7视场水平方向的中心位置，根据电脑控制软件记录高精度转台调整架5的读数为γ2=90°；
Figure BDA00003275292200076
如图8局部计算图（顺时针旋转立方棱镜时）所示，楔形透镜3的折射角β=180°-（γ1+γ2）=16.408°；
根据折射定律：n·sinα=sinβ,n为楔形透镜材料折射率，计算得楔角为：α=arcsin（sinβ/n）=11°10′41″，计算的楔角差为：Δα=|α-α理论|=2′19″；
本例中，所选择的立方棱镜6精度为小于2″，精密转台5-16的精度为0.1″，自准直平行光管7的精度为0.1″，综合误差约为2.5″。

Claims (3)

1.一种楔形透镜的检测装置，特征在于其构成包括4D动态干涉仪（1）、补偿镜组（2）、平台、标准反射镜（4）、高精度转台调整架（5）、立方棱镜（6）、自准直平行光管（7），上述元件的位置关系如下：
将待测的楔形透镜（3）置于平台上，依次设置的4D动态干涉仪（1）、补偿镜组（2）、待测的楔形透镜（3）和标准反射镜（4）组成同光轴的波前检测光路，高精度转台调整架（5）与立方棱镜（6）放置在待测的楔形透镜（3）和标准反射镜（4）之间，所述的立方棱镜（6）放置在所述的高精度转台调整架（5）上，立方棱镜（6）的四个侧面平行于所述的高精度转台调整架（5）的转轴，所述的高精度转台调整架（5）的转轴垂直于检测光路的光轴，所述的自准直平行光管（7）的光轴同时垂直于检测光路的光轴和所述的高精度转台调整架（5）的转轴。
2.根据权利要求1所述的楔形透镜的检测装置，其特征在于所述的高精度转台调整架（5）由上二维调整架、下二维调整架和精密转台（5-16）组成，所述的上二维调整架由调节手轮（5-1）、小钢球（5-2）、螺母A（5-3）、上板（5-4）、顶块（5-5）、下板（5-6）、螺钉（5-7）、簧管（5-8）、球面弹簧垫片（5-9）、大钢球（5-10）组成；所述的下二维调整架，由底脚（5-11）、螺母B（5-12）、底板（5-13）、锁紧螺母（5-14）、垫脚（5-15）组成；上二维调整架和下二维调整架通过精密转台（5-16）连接，上二维调整架的中心、下二维调整架的中心均与精密转台（5-16）的中心重合；所述的精密转台（5-16）通过电脑控制与检测，获得测量值。
3.利用权利要求1所述的楔形透镜的检测装置进行楔形透镜的检测方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
①在所述的补偿镜组（2）和标准反射镜（4）之间的平台（8）上放置待测的楔形透镜（3），调整所述的4D动态干涉仪（1）直径为2mm的细光束输出，使所述的4D动态干涉仪（1）与待测的楔形透镜（3）同轴并且确保细光束通过楔形透镜（3）球面的中心点；
②在4D动态干涉仪（1）与待测的楔形透镜（3）之间放入补偿镜组（2），先校正补偿镜组（2）与4D动态干涉仪（1）同轴和间距，再校正楔形透镜（3）与补偿镜组（2）的面间距，最后将标准反射镜（4）的镜面垂直于检测光轴；
③波前检测光路调试：将4D动态干涉仪（1）设置为测试状态，配上与楔形透镜（3）的焦距与通光口径的比值相匹配的球面镜头，精调标准反射镜（4）的二维角度以及微调补偿镜组（2）和楔形透镜（3）的距离，使干涉图像置零场位置（零场位置指干涉条纹数最少的位置），波前检测光路调试完成；
④在楔形透镜（3）与标准反射镜（4）之间放置高精度转台调整架（5）与立方棱镜（6），通过调整自准直平行光管（7）使得立方棱镜（6）的自准像反射到自准直平行光管（7）视场中心；
⑤以此位置为基准，旋转精密转台（5-16）180°，同时调整上二维调整架的角度，用自准直平行光管（7）监测自准像的位置，如果自准像的位置有上下偏差，上二维调整架调整其偏差量的1/2，自准直平行光管调（7）也调整其偏差量的1/2，使所看到的自准像的位置位于自准直平行光管（7）视场中心；
⑥旋转精密转台（5-16）角度90°，调整上二维调整架的角度，用自准直平行光管（7）监测自准像的位置，如果自准像的位置有上下偏差，上二维调整架调整其偏差量的1/2,自准直平行光管（7）也调整其偏差量的1/2，使所看到的自准像的位置位于自准直平行光管（7）视场中心；
⑦重复步骤⑤、⑥，使立方棱镜（6）四个侧面的自准像全部在自准直平行光管（7）视场中心，即立方棱镜（6）的四个侧面平行于高精度转台调整架（5）的转轴；
⑧将高精度转台调整架（5）顺时针旋转，使检测光路的光通过立方棱镜（6）表面反射到自准直平行光管（7）视场内，调整高精度转台调整架（5）的下二维调整架，使得检测光路的光束水平方向的中心位置调到自准直平行光管（7）视场中心；
⑨将高精度转台调整架（5）逆时针转回步骤⑧的旋转角度，并调整自准直平行光管（7）的俯仰角度，使立方棱镜（6）的自准像通过自准直平行光管（7）视场中心；
⑩将高精度转台调整架（5）逆时针转使标准反射镜（4）的自准像的中心位置位于自准直平行光管（7）水平方向的视场中心，再将高精度转台调整架（5）顺时针转45°，调整自准直平行光管（7）的左右角度，使立方棱镜（6）的自准像的中心位置位于自准直平行光管（7）水平方向的视场中心；
重复⑧～⑩步骤，确保高精度转台调整架（5）的转轴垂直于检测光路的光轴，且自准直平行光管（7）的光轴同时垂直于检测光路的光轴和高精度转台调整架（5）的转轴；
Figure FDA00003275292100031
将电脑控制软件的高精度转台调整架（5）的读数置零；
Figure FDA00003275292100032
逆时针旋转高精度转台调整架（5）使得楔形透镜（3）平面的自准像通过立方棱镜（6）的表面反射到自准直平行光管（7）视场水平方向的中心位置，电脑控制软件记录高精度转台调整架（5）的读数为γ1和自准直平行光管（7）自准像上下方向偏离视场中心的角度读数为θ1；
根据折射定律：n·sinθ=sinθ1,n为楔形透镜（3）材料折射率，计算得塔差为：θ=arcsin（sinθ1/n）；
通过电脑软件控制高精度转台调整架（5）顺时针转回γ1角度，即为零位；
Figure FDA00003275292100035
再顺时针旋转高精度转台调整架（5）使得标准反射镜（4）平面的自准像通过立方棱镜（6）的表面反射到自准直平行光管（7）视场水平方向的中心位置，根据电脑控制软件记录高精度转台调整架（5）的读数为γ2；
Figure FDA00003275292100036
楔形透镜（3）的折射角β=180°-（γ1+γ2）；
根据折射定律：n·sinα=sinβ,n为楔形透镜材料折射率，计算得楔角为：
α=arcsin（sinβ/n），楔角差为：Δα=|α-α理论|。
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