CN104501743A - 锥形镜锥角测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种锥形镜锥角测量装置及测量方法，锥形镜锥角测量装置由光源、聚焦透镜、滤光小孔、分光镜、准直透镜、反射镜、图像传感器、第一调整机构和带有高精密角位移台的第二调整机构组成，本发明具有结构简单、操作方便、不需要标准镜即可实现锥形镜的锥角测量等优点。

Description

锥形镜锥角测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及光学检测领域，特别是一种锥形镜锥角测量装置及测量方法。

技术背景

锥形镜作为一个旋转对称角锥形光学元件，它可以为光学***提供一个长焦深，这一特点使它广泛应用于激光束整形、激光钻孔、光学检测、激光谐振腔、非衍射光束的产生等方面，尤其在光刻照明***中利用锥形镜可以实现环形照明模式。对锥形镜锥角的高精度、大范围检测一直以来备受关注。

在先技术[1](M.de Angelis,S.De Nicola,P.Ferraro,et al.“Test of a conical lensusing a two-beam shearing interferometer”,Opt Laser Eng.39:155-163(2003).)利用两束光剪切干涉技术检测锥形镜平面与锥形面形成的夹角，其光学结构需要两束具有一小角度的相干光透过锥形镜，根据其干涉条纹求出两束光相位差后计算其锥角，计算过程较复杂。

在先技术[2](Jun Ma,Christof Pruss,Matthias,et al.“Systematic analysis of themeasurement of cone angles using high line density computer-generated holograms”,Optical Engineering.50(5):05580-1-05880-9(2011).)使用Twyman-Green干涉仪对锥形镜锥角进行检测，检测前需制作高线密度的计算全息图作为标准镜，计算全息图加工难度大，成本高。

在先技术[3](王莹，曾爱军，袁乔，黄惠杰，轴锥镜锥角检测装置及其检测方法，CN 201410109974，2014)给出了一种轴锥镜锥角检测装置及其检测方法，该装置由平行光管、聚焦透镜和图像传感器组成，在所述的平行光管和聚焦透镜之间设置光楔和待测锥形镜的插口。通过对比光楔与待测锥形镜透射光经聚焦透镜聚焦到图像传感器感光面上像的位置偏差及光楔的楔角来计算锥形镜的锥角。该装置虽然能实现对任意角度锥形镜的测量，但是测量锥角前需要制作光楔，不能实现实时测量。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的不足，提出一种锥形镜锥角测量装置及测量方法，该装置具有结构简单，操作方便，不需要标准镜，即可实现锥形镜的锥角测量等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种锥形镜锥角测量装置，特点在于该装置由光源、聚焦透镜、滤光小孔、分光镜、准直透镜、反射镜、图像传感器、第一调整机构和带有高精密角位移台的第二调整机构组成，上述元部件的位置关系如下：沿光源出射光束方向依次是聚焦透镜、滤光小孔、分光镜、准直透镜和反射镜；所述的图像传感器位于准直透镜的前焦面，图像传感器与所述的准直透镜共光轴；所述的分光镜位于图像传感器和准直透镜之间；所述的滤光小孔位于所述的聚焦透镜的焦平面，所述的滤光小孔和图像传感器相对于所述的分光镜共轭，在所述的准直透镜与反射镜之间预留有待测锥形镜的位置；该待测锥形镜固定在第一调整机构上，所述的反射镜固定在第二调整机构的精密角位移台上。

利用上述锥形镜锥角测量装置进行锥形镜锥角的检测方法，该方法包括以下步骤：

①所述的光源出射的光束经聚焦透镜聚焦到滤光小孔，通过滤光小孔的光经分光镜与准直透镜输出准直光束，该准直光束照射所述的反射镜，通过第二调整机构调整所述的反射镜，使反射镜的反射光束原路返回，经所述的准直透镜、分光镜到达所述的图像传感器的中心位置，记录所述的第二调整机构的角位移台的角度读数β₁；

②将待测锥形镜置于所述的第一调整机构上，通过第一调整机构的调整，使待测锥形镜位于所述的准直透镜与反射镜之间，经所述的准直透镜的准直光束从待测锥形镜的平面入射；

③通过第一调整机构调整所述的待测锥形镜，使待测锥形镜的反射光经准直透镜、分光镜到达所述的图像传感器的中心位置；

④通过第二调整机构的角位移台转动所述的反射镜，使反射镜的反射光束经待测锥形镜、准直透镜、分光镜到达所述的图像传感器的中心位置，记录第二调整机构的角位移台的角度读数β₂，按下列公式计算得到所述的待测锥形镜的锥角θ：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left[\frac{\sin ({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)}{n-\cos ({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)}\right]$

式中，n为所述的待测锥形镜相对入射光波长的折射率。

与在先技术相比，本发明的技术效果如下：

1.本发明装置结构简单，易于实现检测操作，计算方便；

2.本发明装置检测前不需要制作标准镜，即可实现锥形镜的锥角测量。

附图说明

图1为本发明锥形镜锥角测量装置测量凸面锥形镜的原理图

图2为本发明锥形镜锥角测量装置测量凹面锥形镜的原理图

具体实施方式

下面结合附图和实施实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，图1是本发明锥形镜锥角测量装置的原理图。由图可见，本发明锥形镜锥角测量装置，该装置由光源1、聚焦透镜2、滤光小孔3、分光镜5、准直透镜6、反射镜9、图像传感器4、第一调整机构8和带有高精密角位移台的第二调整机构10组成，其位置关系是：沿光源1出射光束方向是聚焦透镜2、滤光小孔3、分光镜5、准直透镜6及反射镜9；所述的图像传感器4位于准直透镜6的前焦面，图像传感器4与所述的准直透镜6的共光轴；分光镜5位于图像传感器4与准直透镜6之间；滤光小孔3与图像传感器4相对于所述的分光镜5共轭，在准直透镜6与反射镜9之间预留待测锥形镜7位置；该待测锥形镜7固定在第一调整机构8上，所述的反射镜9固定在第二调整机构10的精密角位移台上。

利用上述锥形镜锥角测量装置进行锥形镜锥角的检测方法，其特点在于该检测方法包括以下步骤：

①光源1出射的光束经聚焦透镜2聚焦到滤光小孔3，通过滤光小孔3的光经分光镜5与准直透镜6输出准直光束，该准直光束照射所述的反射镜9，通过第二调整机构10调整所述的反射镜9，使反射镜9反射光束经原路返回，经所述的准直透镜6、分光镜5到达所述的图像传感器4的中心位置，记录所述的第二调整机构10的角位移台的角度读数β₁；

②将待测锥形镜7置于所述的第一调整机构8上，通过第一调整机构8的调整，使待测锥形镜7位于所述的准直透镜6与反射镜9之间，经所述的准直透镜6的准直光束从待测锥形镜7的平面入射；

③通过第一调整机构8调整所述的待测锥形镜7，使待测锥形镜7的反射光经准直透镜6、分光镜5到达图像传感器4的中心位置；

④通过第二调整机构10的角位移台转动所述的反射镜9，使反射镜9反射的光束经待测锥形镜7、准直透镜6、分光镜5到达图像传感器4的中心位置，记录第二调整机构10的角位移台的角度读数β₂，按下列公式计算待测锥形镜7的锥角θ：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left[\frac{\sin ({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)}{n-\cos ({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)}\right]$

式中，n为所述的待测锥形镜7相对入射光波长的折射率。

图2为本发明锥形镜锥角测量装置测量凹面锥形镜的原理图，由图可见，本发明实施例2的待测锥形镜7是凹面锥形镜，测量凹面锥形镜锥角的步骤与测量凸面锥形镜锥角的步骤相同。

Claims (2)

1.一种锥形镜锥角测量装置，特征在于该装置由光源(1)、聚焦透镜(2)、滤光小孔(3)、分光镜(5)、准直透镜(6)、反射镜(9)、图像传感器(4)、第一调整机构(8)和带有高精密角位移台的第二调整机构(10)组成，上述元部件的位置关系如下：沿光源(1)出射光束方向依次是聚焦透镜(2)、滤光小孔(3)、分光镜(5)、准直透镜(6)和反射镜(9)；所述的图像传感器(4)位于准直透镜(6)的前焦面，图像传感器(4)与所述的准直透镜(6)共光轴；所述的分光镜(5)位于图像传感器(4)和准直透镜(6)之间；所述的滤光小孔(3)位于所述的聚焦透镜(2)的焦平面，所述的滤光小孔(3)和图像传感器(4)相对于所述的分光镜(5)共轭，在所述的准直透镜(6)与反射镜(9)之间预留有待测锥形镜(7)的位置；该待测锥形镜(7)固定在第一调整机构(8)上，所述的反射镜(9)固定在第二调整机构(10)的精密角位移台上。

2.利用权利要求1所述的锥形镜锥角测量装置进行锥形镜锥角的检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

①所述的光源(1)出射的光束经聚焦透镜(2)聚焦到滤光小孔(3)，通过滤光小孔(3)的光经分光镜(5)与准直透镜(6)输出准直光束，该准直光束照射所述的反射镜(9)，通过第二调整机构(10)调整所述的反射镜(9)，使反射镜(9)的反射光束原路返回，经所述的准直透镜(6)、分光镜(5)到达所述的图像传感器(4)的中心位置，记录所述的第二调整机构(10)的角位移台的角度读数β₁；

②将待测锥形镜(7)置于所述的第一调整机构(8)上，通过第一调整机构(8)的调整，使待测锥形镜(7)位于所述的准直透镜(6)与反射镜(9)之间，经所述的准直透镜(6)的准直光束从待测锥形镜(7)的平面入射；

③通过第一调整机构(8)调整所述的待测锥形镜(7)，使待测锥形镜(7)的反射光经准直透镜(6)、分光镜(5)到达所述的图像传感器(4)的中心位置；

④通过第二调整机构(10)的角位移台转动所述的反射镜(9)，使反射镜(9)的反射光束经待测锥形镜(7)、准直透镜(6)、分光镜(5)到达所述的图像传感器(4)的中心位置，记录第二调整机构(10)的角位移台的角度读数β₂，按下列公式计算得到所述的待测锥形镜(7)的锥角θ：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left[\frac{\sin ({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)}{n-\cos ({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)}\right]$

式中，n为所述的待测锥形镜(7)相对入射光波长的折射率。