CN110687074A - 一种基于波前传感器的光学制件均匀性检测装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学制件均匀性检测技术领域，并具体公开了一种基于波前传感器的光学制件均匀性检测装置与方法，包括依次同轴放置的激光器、扩束器、偏振片、透明槽、成像镜组和波前传感器，透明槽中装有与待测光学制件材料折射率相同的折射率匹配溶液；检测时，激光器发出的激光经扩束器扩束后，通过偏振片成为偏振光，该偏振光依次通过透明槽前壁、折射率匹配溶液、透明槽后壁，然后由成像镜组成像，所形成的图像由波前传感器获取得到此时的波前差，进而通过有无制件时的波前差，得到制件折射率均匀性情况。本发明有效降低了制件几何形状对折射率检测的影响，为检测具有面形的光学制件的折射率均匀性提供了高效、适用性强、高精度的方法和装置。

Description

一种基于波前传感器的光学制件均匀性检测装置与方法
技术领域
本发明属于光学制件均匀性检测技术领域，更具体地，涉及一种基于波前传感器的光学制件均匀性检测装置与方法。
背景技术
光学制件指光学***的透明元件部分，随着光学***在国防军事、科学研究和民用领域越来越广泛的应用需求，如高端望远镜、手机镜头、LED照明制件等，通过光学***设计、光学材料、成形工艺及检测技术的提升实现光学制件高精度、高效率、低成本的制造。光学领域包含成像及非成像设计，自由曲面制件以其优秀的光学性能得到越来越广泛的应用。
传统光学制件采用玻璃研磨制造，玻璃毛坯的质量影响最终制件折射率均匀性；现在也常采用塑料制造光学制件，塑料具有质量轻、力学性能优且易于大规模制造的优点有广阔的应用前景，成形工艺包括但不限于注射成形、热压成形、快速成形、机加工成形技术，成形过程复杂温度场剪切场引起高分子链取向、收缩不均及翘曲导致制件折射率不均匀，导致光学畸变、初级像差等光学性能劣化。对光学制件进行均匀性评价，为光学制件生产提供指导，优化其生产工艺有重要意义。
现有的折射率均匀性检测方法包括：采用置板法测试平板毛坯材料均匀性，以及采用折射率匹配液结合干涉仪测试光学制件均匀性。如专利CN201510404630提供了一种大口径单轴晶体折射率均匀性检测装置及方法，其通过夏克-哈特曼波前传感器结合光路设计实现晶体的均匀性检测，但该发明只适用于检测平行平板毛坯，检测具有面形的制件时，面形对波前干扰因素大，不能检测具有面形的光学制件；专利CN201510962193提供了一种球面透镜材料均匀性的检测方法，通过折射率匹配液结合干涉仪测试球面材料均匀性，但该方法对干涉仪要求较高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于波前传感器的光学制件均匀性检测装置与方法，其目的在于，结合波前检测技术、折射率匹配溶液和高精度平行容器实现光学制件的折射率均匀性检测，有效降低了制件几何形状对折射率检测的影响，为检测具有面形的光学制件的折射率均匀性提供了高效、适用性强、高精度的方法和装置。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种基于波前传感器的光学制件均匀性检测装置，包括依次同轴放置的激光器、扩束器、偏振片、透明槽、成像镜组和波前传感器，其中，所述透明槽中装有与待测光学制件材料折射率相同的折射率匹配溶液；
检测时，所述激光器发出的激光经扩束器扩束后，通过偏振片成为偏振光，该偏振光通过装有折射率匹配溶液的透明槽后，由成像镜组成像，所形成的图像由波前传感器获取。
作为进一步优选的，所述折射率匹配溶液由煤油、乙醇与溴代萘配置而成。
作为进一步优选的，所述激光器为氦氖激光器。
作为进一步优选的，所述透明槽为石英槽。
作为进一步优选的，所述透明槽的壁面经过抛光处理。
作为进一步优选的，所述波前传感器上还连接有数据采集处理单元。
按照本发明的另一方面，提出了一种基于波前传感器的光学制件均匀性检测方法，采用上述检测装置实现，具体包括如下步骤：
S1所述激光器发出的激光经扩束器扩束后，通过偏振片成为偏振光，该偏振光通过装有折射率匹配溶液的透明槽后，由成像镜组成像，所形成的图像由波前传感器获取，进而由该图像得到此时光路的波前差LO(x,y)；
S2将待测光学制件浸入折射率匹配溶液中，所述激光器发出的激光经扩束器扩束后，通过偏振片成为偏振光，该偏振光通过装有折射率匹配溶液和待测光学制件的透明槽后，由成像镜组成像，所形成的图像由波前传感器获取，进而由该图像得到此时光路的波前差Lt(x,y)；
S3由浸入待测光学制件前后的波前差计算得到由待测光学制件引起的波前差ΔL(x,y)＝Lt(x,y)-LO(x,y)，进而由待测光学制件引起的波前差ΔL(x,y)得到待测光学制件厚度方向的折射率分布，根据该折射率分布即可得到待测光学制件的均匀性情况。
作为进一步优选的，检测温度优选为15℃～25℃，进一步优选为20℃。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明结合波前检测技术、折射率匹配溶液和高精度平行容器实现光学制件的折射率均匀性检测，通过将光学制件浸入与制件材料初始折射率匹配的溶液避免制件面形引起的光路波前差，通过波前法检测因折射率不均匀引起的光线波前差异，进而通过有无制件的波前差，计算制件二维平面折射率均匀性差异，本发明不同于传统的光学玻璃平板材料折射率均匀性检测技术，为自由曲面等光学透镜等制件的折射率均匀性检测提供了高效、高精度的完善检测方法及装置。
2.本发明检测方法及装置的适用性强，适用的光学制件材料可为如PC、PMMA、PS、BK7等的聚合物和玻璃，制件成形工艺可为注射成形、热压成形、快速成形、机加工成形等，制件面形可为平面、球面、非球面、自由曲面透镜及异形透明件等。
3.本发明通过波前传感器检测到的光学制件二维平面结果，可有效评价单个及批量光学制件的折射率均匀性极值和标准差，为光学制件工艺优化提供可靠的依据。
附图说明
图1为本发明实施例基于波前传感器的光学制件均匀性检测原理图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-激光器，2-扩束器，3-偏振片，4-折射率匹配溶液，5-待测光学制件，6-透明槽，7-成像镜组，8-波前传感器，A1-激光光路，A2-标准波前，A3-畸变波前。
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，以下结合附图及实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的一种基于波前传感器的光学制件均匀性检测装置，如图1所示，包括依次同轴放置并通过基台与支架固定的激光器1、扩束器2、偏振片3、透明槽6、成像镜组7和波前传感器8，其中，所述透明槽6中装有与待测光学制件原材料折射率相同的折射率匹配溶液4；所述波前传感器8用于获取波前数据，其上还连接有相应的数据采集处理单元，该数据采集处理单元对波前数据处理后得到计算得到折射率均匀性数据。
具体的，所述折射率匹配溶液4采用相溶性较强的低折射率与高折射率溶液进行混合配置此处低折射率、高折射率是相对待测光学制件原材料折射率而言的，优选由煤油、乙醇与溴代萘配置而成。
优选的，所述激光器1为氦氖激光器，波前传感器包括且但不限于Shack-Hartmann波前传感器；所述透明槽6为石英槽，并对其前壁和后壁进行抛光处理、提高平行度。
采用上述检测装置检测光学制件均匀性，具体包括如下步骤：
S1根据待测光学制件5选取扩束器2、偏振片3、成像镜组7的型号并调整其间距使光路波前为零；使用高精度阿贝折射仪测试待测光学制件5原材料在温度T下的折射率n0，测试精度10-5量级，配置折射率匹配溶液4使其折射率为n0，并将其注入透明槽6中，然后将透明槽6安装在偏振片3和成像镜组7之间；
S2在温度T时，打开激光器1，其发出的激光经扩束器2扩束后，通过偏振片3成为偏振光，该偏振光依次通过透明槽6前壁、折射率匹配溶液4、透明槽6后壁，然后由成像镜组7成像，所形成的图像由波前传感器8获取，进而由该图像得到此时光路的波前差LO(x,y)，该波前差包括由各光学器件引起的波前差以及由透明槽6和折射率匹配溶液4引起的波前差；
S3将待测光学制件5浸入折射率匹配溶液4中，并采用工装固定；所述激光器1发出的激光经扩束器2扩束后，通过偏振片3成为偏振光，该偏振光依次通过透明槽6前壁、折射率匹配溶液4、待测光学制件5、折射率匹配溶液4、透明槽6后壁，然后由成像镜组7成像，所形成的图像由波前传感器8获取，进而由该图像得到此时光路的波前差Lt(x,y)；搅动溶液，多次采集结果求得该波前差平均值以提高检测精度；
具体的，如图1所示，激光光路A1是由激光器1发出的平行光，当其通过的器件折射率均匀时，激光光路A1不会发生方向的改变，波面平行，即为标准波前A2，当其通过的器件折射率不均匀时，由于不同位置折射率存在偏差，平行光进入后会发生波前差，即为畸变波前A3；但当平行光直接通过具有面形的光学制件时，波前差同时受到面形和折射率偏差的影响，而将光学制件浸入折射率匹配溶液4后，可将光学制件和折射率匹配溶液4看作一个折射率近似的整体，则引起光路差异的只有折射率偏差，从而排除了光学制件面形的影响；
S4由浸入待测光学制件5前后的波前差计算得到由待测光学制件5引起的波前差
Figure BDA0002249272710000052
进而通过下式由待测光学制件5引起的波前差ΔL(x,y)计算待测光学制件5厚度方向的折射率分布Δn(x,y)：
ΔL(x,y)＝Δn(x,y)·d(x,y)
其中，d(x,y)为待测光学制件5光路方向的厚度分布函数；
具体的，以光路方向为z轴方向建立空间直角坐标系，在x轴上取a个点，y轴上取b个点，并连接成网格，对于该网格上的任一点(i,j)，其坐标是(xi,yj)，该点的折射率为Δn(xi,yj)，而上述折射率分布Δn(x,y)即为网格上所有点的折射率分布函数；
S5根据该折射率分布Δn(x,y)评估待测光学制件5的均匀性，评估参数包括制件平面方向折射率偏离极差ΔnPVS和标准差ΔnSTDS，折射率偏离极差ΔnPVS和标准差ΔnSTDS越小则该光学制件的均匀性越好，具体通过下式计算得到：
ΔnPVS＝Δn(x，y)max-Δn(x，y)min
Figure BDA0002249272710000061
还可进一步计算同批次制件折射率偏离极差ΔnPVB和标准差ΔnSTDB，以对一批光学制件的均匀性进行评估，折射率偏离极差ΔnPVB和标准差ΔnSTDB越小则该批光学制件的均匀性越好，具体通过下式计算得到：
ΔnPVB＝ΔnPVSmax-ΔnPVSmin
Figure BDA0002249272710000062
其中，K为该批光学制件的个数，Δn为每个光学制件折射率平均值。
优选的，检测温度T为15℃～25℃，进一步优选为20℃。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于波前传感器的光学制件均匀性检测装置，其特征在于，包括依次同轴放置的激光器(1)、扩束器(2)、偏振片(3)、透明槽(6)、成像镜组(7)和波前传感器(8)，其中，所述透明槽(6)中装有与待测光学制件材料折射率相同的折射率匹配溶液(4)；
检测时，所述激光器(1)发出的激光经扩束器(2)扩束后，通过偏振片(3)成为偏振光，该偏振光通过装有折射率匹配溶液(4)的透明槽(6)后，由成像镜组(7)成像，所形成的图像由波前传感器(8)获取。
2.如权利要求1所述的基于波前传感器的光学制件均匀性检测装置，其特征在于，所述折射率匹配溶液(4)由煤油、乙醇与溴代萘配置而成。
3.如权利要求1所述的基于波前传感器的光学制件均匀性检测装置，其特征在于，所述激光器(1)为氦氖激光器。
4.如权利要求1所述的基于波前传感器的光学制件均匀性检测装置，其特征在于，所述透明槽(6)为石英槽。
5.如权利要求1所述的基于波前传感器的光学制件均匀性检测装置，其特征在于，所述透明槽(6)的壁面经过抛光处理。
6.如权利要求1-5任一项所述的基于波前传感器的光学制件均匀性检测装置，其特征在于，所述波前传感器(8)上还连接有数据采集处理单元。
7.一种基于波前传感器的光学制件均匀性检测方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的检测装置实现，包括如下步骤：
S1所述激光器(1)发出的激光经扩束器(2)扩束后，通过偏振片(3)成为偏振光，该偏振光通过装有折射率匹配溶液(4)的透明槽(6)后，由成像镜组(7)成像，所形成的图像由波前传感器(8)获取，进而由该图像得到此时光路的波前差LO(x,y)；
S2将待测光学制件(5)浸入折射率匹配溶液(4)中，所述激光器(1)发出的激光经扩束器(2)扩束后，通过偏振片(3)成为偏振光，该偏振光通过装有折射率匹配溶液(4)和待测光学制件(5)的透明槽(6)后，由成像镜组(7)成像，所形成的图像由波前传感器(8)获取，进而由该图像得到此时光路的波前差Lt(x,y)；
S3由浸入待测光学制件(5)前后的波前差计算得到由待测光学制件(5)引起的波前差ΔL(x,y)＝Lt(x,y)-LO(x,y)，进而由待测光学制件(5)引起的波前差ΔL(x,y)得到待测光学制件(5)厚度方向的折射率分布，根据该折射率分布即可得到待测光学制件(5)的均匀性情况。
8.如权利要求7所述的基于波前传感器的光学制件均匀性检测方法，其特征在于，检测温度优选为15℃～25℃，进一步优选为20℃。
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