专利名称：透镜面形偏差检测装置及其方法
技术领域：
本发明涉及小型球面干涉仪，特别适用于在线无损检验球面镜片曲率半径偏差、 象散偏差、局部偏差的球面干涉仪。
背景技术：
被检光学表面相对于参考光学表面的偏差称面形偏差，面形偏差包括三项半径 偏差、象散偏差、局部偏差。检验抛光后的光学零件面形偏差通常采用光学样板或干涉仪，检验方法都是根据 光的干涉原理，在光学车间检验光学零件的面形偏差，常用的方法有干涉图样法和阴影法。 干涉图样法可分为接触法(即样板法)和非接触法(即干涉仪法)。目前光学加工企业 在线检测常用光学样板对加工镜片接触加压观察干涉环，由于直接接触加压，对镜片的表 面光洁度造成破坏，使得高精度光学镜片的加工过程中好不容易达到了面形精度，检验过 程又破坏了表面光洁，而且光学样板在使用过程中因磨损会给测量结果带来不易察觉的误 差，造成反复返工甚至报废、大大降低了生产效率、增加了生产成本。激光检测技术属于非接触式测量技术，与接触式测量方法相比，干涉测量有更高 的灵敏度和准确度，更高的效率，不会损伤测量表面，不易受被测对象表面状态影响等优 点，扩大了测量范围，在精密、超精密加工测量和实时测控的诸多领域中均获得广泛的应 用。泰曼型干涉测量和斐索型干涉测量是目前两种最为经典、应用也很广泛的干涉测量技 术。目前实验室里、国内外的各种类型干涉仪可以实现对平面和球面光学零件面形的 精确测量，能够达到较高的测量精度但是仪器价格昂贵；在目前的泰曼-格林型、斐索型球 面干涉仪，测量原理都是通过调节待测镜片的球心与有标准镜头射出的标准球面波光束会 聚中心相重合，通过干涉条纹的判读方法，定量处理分析被测镜片的面形偏差。其检测如图 1所示，空间同光轴间隔自左至右依次分布点光源、分束镜、有限共轭距物镜、后表面可实现 半透半反的标准镜头、待测透镜，点光源经过有限共轭距物镜后形成一束平行光，继续前进 在标准镜头的后表面(基准面)，部分反射为参考光束；部分透射并经过待测透镜的被测面 发射为检测光束。检测光束自准直返回，与参考光束重合，形成等厚干涉条纹，两束光束经 过分束镜反射后进入观察区域。通过分析干涉条纹情况可实现对待测透镜的被测面的面行 偏差的检测。这样测量范围受到标准镜头相关孔径的限制，需要多种规格的标准镜头，并且 需要一定长度的导轨来实现待测透镜的移动，使基准面的球心与被测面的球心重合。目前 的球面干涉仪只能测量出被测球面面形的局部偏差，干涉图不能反映曲率半径相对名义值 的偏差，所以在实际仪器上带有专门用来测量被测球面曲率半径的附加系统。因此，光学加工企业非常迫切的需要现场应用、特别是对加工过程中的在线检测 的小型化、价格低廉的面形检测系统，实现在线快速无损检验球面镜片的曲率半径偏差、象 散偏差、局部偏差，提高生产效率。发明专利200310122011. 9改进型迈克尔逊干涉仪公开了一种分光器，该分光器是由两片完全相同的等边直角棱镜接和而成的分光棱镜，且在接和面上镀有一层半透半反 膜，它可以实现光束的透镜和反射。它用于波长的测定，未应用到透镜的面形偏差检测。待测透镜处于待测位置其几何位置需要作χ、y、ζ轴空间三方向平动及其球面朝 向，光轴相对角度旋转调节才能满足精确检测，中国专利97231037. 1三维工作台公开了一 种χ、ι、ζ轴调节装置，但不能作旋转及偏摆。
发明内容
本发明目的在于克服上述缺陷，提供一种透镜面形偏差检测装置及其方法。本发明装置方案是装置包括接和面镀有半透半反膜的分光器，其特征在于分 光器正下方设置的定位固定的扩束整形装置、扩束整形装置正下方的定位固定的检测光 源、分光器正右方的定位固定的光学样板、分光器正左方的观察接收屏、分光器正上方的定 位圈口、定位圈口上方设置的待测透镜组成，定位圈口为短管状体，管状体上端面均布固定 有三个相同的钢球，扩束整形装置的光束的中心轴线与光学样板的光轴相交于分光器的接 和面上，观察接收屏垂直于光学样板的光轴。本发明方法方案是检测方法所使用的装置由定位固定的分光器、分光器正下方设 置的定位固定的扩束整形装置、扩束整形装置正下方的定位固定的检测光源、分光器正右 方的定位固定的光学样板、分光器正左方的观察接收屏、分光器正上方的定位圈口、定位圈 口上方设置的待测透镜组成，定位圈口为短管状体，管状体上端面均布固定有三个钢球，扩 束整形装置的光束的中心轴线与光学样板的光轴相交于分光器的接和面上，观察接收屏垂 直于光学样板的光轴；其检测步骤为1、将另一个相同形状的光学样板靠紧在定位圈口的上端面上，通过五维平转工作 台调节使定位圈口上的光学样板的光轴与扩束整形装置的光束的中心轴线重合，观察干涉 条纹，调节五维平转工作台使定位圈口上的光学样板在中心轴线方向上下移动，当干涉条 纹数目最少时，此时的位置即为两个光学样板的基准面距离分光器的中心等间距的位置， 固定定位圈口的位置。2、将定位圈口上的光学样板换成待测透镜，观测此时的干涉条纹。3、将观测到的干涉条纹的图像特征及用球径仪等仪器精确测量的光学样板的基 准面的曲率半径经过分析计算，就可以得到待测透镜的待测面的半径偏差、象散偏差、局部
偏差等。本发明优点在于1、用光学车间里现有的各种不同曲率半径的光学样板代替价格昂贵的标准镜头 产生干涉的参考波前。同时可以实现对透镜球面曲率半径的测量，指导工人修改光圈，可实 现快速无损非接触在线检测，大大提高检验效率和成品率。2、不用长导轨，使仪器小型化。3、定位圈口的上端面的三个定位钢球可以实现放置其上的透镜基准面或待测面 所在球面的球心处于三个钢球组成的三角形的几何中心垂线上，该垂线与扩束整形装置的 光束的中心轴线重合，并且对于透镜相同曲率半径的基准面或待测面，其所在球面的球心 处于相同位置，将定位圈口上的光学样板换成待测透镜时不用进行再调节就可以得到干涉 条纹，提高了检测效率。
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4、可以实现对待测透镜的待测面的曲率半径的计算。
图1为现有技术斐索干涉原理图。图2为本发明结构示意图。图3为五维平转工作台的结构示意图。图4为镜盘托架的结构示意图。图5为两个同形状等腰三角棱镜接和体示意图。图6为两个同形状长方体接和体示意图。图中1.分光器，2.光学样板，2a.光学样板2的基准面，3.扩束整形装置，4.检测 光源，5.观察接收屏，6.光学样板，6a.光学样板6的基准面，7.定位圈口，8.万向节上座， 9.万向节下座，10.螺杆，11.万向杆，12.三维工作台，13.镜盘托架，14.待测透镜，14a.待 测透镜的待测面
具体实施例方式本发明装置包括接和面镀有半透半反膜的分光器1，其特征在于定位固定的分 光器1正下方设置的定位固定的扩束整形装置3、扩束整形装置3正下方的定位固定的检测 光源4、分光器1正右方的定位固定的光学样板2、分光器1正左方的观察接收屏5、分光器 1正上方的定位圈口 7、定位圈口 7上方设置的待测透镜14组成，定位圈口 7为短管状体， 管状体上端面均布固定有三个相同的钢球，扩束整形装置3的光束的中心轴线与光学样板 2的光轴相交于分光器1的接和面上，观察接收屏5垂直于光学样板2的光轴。分光器1是两个同形状等边直角棱镜接和体或是两个同形状等腰三角棱镜接和 体或是两个同形状长方体接和体，上述三种接和体的接和面在装置中处于与光学样板2光 轴45度交角状态，三者光学原理是等同的。设置有五维平转工作台，工作台结构为三维工作台12顶面上固定一个万向杆11， 万向杆11顶部为一个大于半球形的球台，球台上部套合有万向节上座8，万向节上座8下 部中央为半球状空腔凹槽，另设置有两个对称的万向节下座9，两个万向节下座9合体后上 部呈球台状空腔，球台状空腔下部为圆孔，万向节上座8与万向节下座9将万向杆11球台 套合包裹其中后，四螺杆10穿过万向节下座9的通孔后拧合在万向节上座8的螺纹孔中实 施定位；万向节上座8延展有边侧板，边侧板中设置有台阶孔，台阶孔上孔直径与定位圈口 7管状体外径呈动配合状态，台阶孔下孔直径小于定位圈口 7外径但大于定位圈口 7内径。分光器各有效透射面镀有增透膜。上述三维工作台12为中国专利号97231037. 1的现有技术，由于万向节上下座与 万向杆11的套合为过渡配合，两者之间有阻尼力作用，所以在调节过程中间定位圈口 7可 以实施定位阻尼转动及偏摆，五维平转工作台可作五维调节。将另一个相同形状的光学样板6靠紧在定位圈口 7的上端面上，从检测光源4射 出的细光束入射到用于扩大该激光光束直径的扩束整形装置3，由该扩束整形装置3扩束 到适应于检测口径的光束直径为止，该光束可以是平行光束或发散光束。当光束入射到分 光器1的半透半反表面分成两束光束，一束光束沿着光轴X方向射向分光器1正右方的定位固定的光学样板2的基准面加，经反射后沿原路返回，形成参考波前。另一束光束沿光 轴Y反方向射向定位圈口 7上的光学样板6的基准面6a，经反射后沿原路返回，形成测试波 前。参考波前与测试波前经分光棱镜汇合后形成干涉，在观察接收屏5处可以观察到干涉 条纹。通过五维平转工作台调节使定位圈口 7上的光学样板6的光轴与扩束整形装置 3的光束的中心轴线重合，并在中心轴线方向上下移动使两束光束的光程大致相等，在观 察接收屏5上可以观察到干涉条纹，而且参考波前和测试波前在前后很大范围内重叠在一 起，因此可在很大的深度范围内观察到清晰的干涉条纹。观察干涉条纹，调节五维平转工作 台使定位圈口 7上的光学样板6在中心轴线方向上下移动，当干涉条纹数目最少时，此时的 位置即为光学样板2的基准面加与光学样板6的基准面6a距离分光器1的中心等间距的 位置，固定定位圈口 7的位置。观察接收屏5沿光学样板2的光轴中心线方向可以前后移 动，以便得到合适的干涉图样。检测凸待测透镜14时则用凸光学样板2，检测凹检测透镜14时则用凹光学样板 2。将定位圈口 7上的光学样板6换成镜盘托架13上的待测透镜14，定位圈口 7的 上端面的三个定位钢球可以实现放置其上的待测透镜的待测面Ha所在球面的球心处于 三个钢球组成的三角形的几何中心垂线上，该垂线与扩束整形装置3的光束的中心轴线重 合，并且待测透镜的待测面Ha所在球面的球心处于相同位置，不用进行再调节就可以得 到干涉条纹，再由此时干涉条纹的图像特征经过分析计算，就可以得到待测透镜的待测面 14a的半径偏差、象散偏差、局部偏差等，分光器1正右方的定位固定的光学样板2的基准 面加的曲率半径可以由球径仪等仪器精确测量得到，由此可以计算得到待测透镜的待测 面14a的曲率半径。还可以通过在光学样板2上装有压电陶瓷移相器，驱动光学样板2使其产生几分 之一波长量级的光程变化，使干涉场产生变化的干涉图样，通过对干涉图样的处理，自动消 除干涉场中的固定噪声和面阵探测器的不一致性。
权利要求
1.透镜面形偏差检测装置，包括接和面镀有半透半反膜的分光器1，其特征在于定位 固定的分光器1正下方设置的定位固定的扩束整形装置3、扩束整形装置3正下方的定位固 定的检测光源4、分光器1正右方的定位固定的光学样板2、分光器1正左方的观察接收屏 5、分光器1正上方的定位圈口 7、定位圈口 7上方设置的待测透镜14组成，定位圈口 7为短 管状体，管状体上端面均布固定有三个相同的钢球，扩束整形装置3的光束的中心轴线与 光学样板2的光轴相交于分光器1的接和面上，观察接收屏5垂直于光学样板2的光轴。
2.根据权利要求1所述的透镜面形偏差检测装置，其特征在于设置有五维平转工作 台，工作台结构为三维工作台12顶面上固定一个万向杆11，万向杆11顶部为一个大于半球 形的球台，球台上部套合有万向节上座8，万向节上座8下部中央为半球状空腔凹槽，另设 置有两个对称的万向节下座9，两个万向节下座9合体后上部呈球台状空腔，球台状空腔下 部为圆孔，万向节上座8与万向节下座9将万向杆11球台套合包裹其中后，四螺杆10穿过 万向节下座9的通孔后拧合在万向节上座8的螺纹孔中实施定位；万向节上座8延展有边 侧板，边侧板中设置有台阶孔，台阶孔上孔直径与定位圈口 7管状体外径呈动配合状态，台 阶孔下孔直径小于定位圈口 7外径但大于定位圈口 7内径。
3.根据权利要求1或2所述的透镜面形偏差检测装置，其特征在于分光器各有效透 射面镀有增透膜。
4.透镜面形偏差检测方法，其特征在于检测方法所使用的装置由定位固定的分光 器、分光器正下方设置的定位固定的扩束整形装置、扩束整形装置正下方的定位固定的检 测光源、分光器正右方的定位固定的光学样板、分光器正左方的观察接收屏、分光器正上方 的定位圈口、定位圈口上方设置的待测透镜组成，定位圈口为短管状体，管状体上端面均布 固定有三个钢球，扩束整形装置的光束的中心轴线与光学样板的光轴相交于分光器的接和 面上，观察接收屏垂直于光学样板的光轴；其检测步骤为①将另一个相同形状的光学样板靠紧在定位圈口的上端面上，通过五维平转工作台 调节使定位圈口上的光学样板的光轴与扩束整形装置的光束的中心轴线重合，观察干涉条 纹，调节五维平转工作台使定位圈口上的光学样板在中心轴线方向上下移动，当干涉条纹 数目最少时，此时的位置即为两个光学样板的基准面距离分光器的中心等间距的位置，固 定定位圈口的位置；②将定位圈口上的光学样板换成待测透镜，观测此时的干涉条纹；③将观测到的干涉条纹的图像特征及用球径仪等仪器精确测量的光学样板的基准面 的曲率半径经过分析计算，就可以得到待测透镜的待测面的半径偏差、象散偏差、局部偏差寸。
全文摘要
透镜面形偏差检测装置及其方法，涉及小型球面干涉仪。分光器正下方设置的扩束整形装置、检测光源、分光器正右方的光学样板、正左方的观察接收屏、分光器正上方的定位圈口、待测透镜组成，定位圈口管状体上端面固定有三个钢球，扩束整形装置的光束的中心轴线与光学样板的光轴相交于分光器的接和面上，观察接收屏垂直于光学样板的光轴。优点在于先给定位圈口定位再作检测，光学样板代替价格昂贵的标准镜头产生干涉的参考波前，实现对透镜球面曲率半径的测量，不能长导轨快速无损非接触在线检测。定位圈口的钢球使透镜基准面或待测面处于同一个三角形的几何中心垂线上，定位后，待测透镜时不用进行再调节就可以得到干涉条纹，提高了检测效率。
文档编号G01B11/24GK102128596SQ20101055079
公开日2011年7月20日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者卓金寨, 林健, 林峰, 梁秀玲, 王敏, 韩振华 申请人:福建师范大学