專利名稱：透鏡面形偏差檢測裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及小型球面干涉儀，特別適用于在線無損檢驗(yàn)球面鏡片曲率半徑偏差、 象散偏差、局部偏差的球面干涉儀。
背景技術(shù)：
被檢光學(xué)表面相對于參考光學(xué)表面的偏差稱面形偏差，面形偏差包括三項(xiàng)半徑 偏差、象散偏差、局部偏差。檢驗(yàn)拋光后的光學(xué)零件面形偏差通常采用光學(xué)樣板或干涉儀，檢驗(yàn)方法都是根據(jù) 光的干涉原理，在光學(xué)車間檢驗(yàn)光學(xué)零件的面形偏差，常用的方法有干涉圖樣法和陰影法。 干涉圖樣法可分為接觸法(即樣板法)和非接觸法(即干涉儀法)。目前光學(xué)加工企業(yè) 在線檢測常用光學(xué)樣板對加工鏡片接觸加壓觀察干涉環(huán)，由于直接接觸加壓，對鏡片的表 面光潔度造成破壞，使得高精度光學(xué)鏡片的加工過程中好不容易達(dá)到了面形精度，檢驗(yàn)過 程又破壞了表面光潔，而且光學(xué)樣板在使用過程中因磨損會(huì)給測量結(jié)果帶來不易察覺的誤 差，造成反復(fù)返工甚至報(bào)廢、大大降低了生產(chǎn)效率、增加了生產(chǎn)成本。激光檢測技術(shù)屬于非接觸式測量技術(shù)，與接觸式測量方法相比，干涉測量有更高 的靈敏度和準(zhǔn)確度，更高的效率，不會(huì)損傷測量表面，不易受被測對象表面狀態(tài)影響等優(yōu) 點(diǎn)，擴(kuò)大了測量范圍，在精密、超精密加工測量和實(shí)時(shí)測控的諸多領(lǐng)域中均獲得廣泛的應(yīng) 用。泰曼型干涉測量和斐索型干涉測量是目前兩種最為經(jīng)典、應(yīng)用也很廣泛的干涉測量技 術(shù)。目前實(shí)驗(yàn)室里、國內(nèi)外的各種類型干涉儀可以實(shí)現(xiàn)對平面和球面光學(xué)零件面形的 精確測量，能夠達(dá)到較高的測量精度但是儀器價(jià)格昂貴；在目前的泰曼-格林型、斐索型球 面干涉儀，測量原理都是通過調(diào)節(jié)待測鏡片的球心與有標(biāo)準(zhǔn)鏡頭射出的標(biāo)準(zhǔn)球面波光束會(huì) 聚中心相重合，通過干涉條紋的判讀方法，定量處理分析被測鏡片的面形偏差。其檢測如圖 1所示，空間同光軸間隔自左至右依次分布點(diǎn)光源、分束鏡、有限共軛距物鏡、后表面可實(shí)現(xiàn) 半透半反的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、待測透鏡，點(diǎn)光源經(jīng)過有限共軛距物鏡后形成一束平行光，繼續(xù)前進(jìn) 在標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的后表面(基準(zhǔn)面)，部分反射為參考光束；部分透射并經(jīng)過待測透鏡的被測面 發(fā)射為檢測光束。檢測光束自準(zhǔn)直返回，與參考光束重合，形成等厚干涉條紋，兩束光束經(jīng) 過分束鏡反射后進(jìn)入觀察區(qū)域。通過分析干涉條紋情況可實(shí)現(xiàn)對待測透鏡的被測面的面行 偏差的檢測。這樣測量范圍受到標(biāo)準(zhǔn)鏡頭相關(guān)孔徑的限制，需要多種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，并且 需要一定長度的導(dǎo)軌來實(shí)現(xiàn)待測透鏡的移動(dòng)，使基準(zhǔn)面的球心與被測面的球心重合。目前 的球面干涉儀只能測量出被測球面面形的局部偏差，干涉圖不能反映曲率半徑相對名義值 的偏差，所以在實(shí)際儀器上帶有專門用來測量被測球面曲率半徑的附加系統(tǒng)。因此，光學(xué)加工企業(yè)非常迫切的需要現(xiàn)場應(yīng)用、特別是對加工過程中的在線檢測 的小型化、價(jià)格低廉的面形檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線快速無損檢驗(yàn)球面鏡片的曲率半徑偏差、象 散偏差、局部偏差，提高生產(chǎn)效率。發(fā)明專利200310122011. 9改進(jìn)型邁克爾遜干涉儀公開了一種分光器，該分光器是由兩片完全相同的等邊直角棱鏡接和而成的分光棱鏡，且在接和面上鍍有一層半透半反 膜，它可以實(shí)現(xiàn)光束的透鏡和反射。它用于波長的測定，未應(yīng)用到透鏡的面形偏差檢測。待測透鏡處于待測位置其幾何位置需要作χ、y、ζ軸空間三方向平動(dòng)及其球面朝 向，光軸相對角度旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)才能滿足精確檢測，中國專利97231037. 1三維工作臺(tái)公開了一 種χ、ι、ζ軸調(diào)節(jié)裝置，但不能作旋轉(zhuǎn)及偏擺。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服上述缺陷，提供一種透鏡面形偏差檢測裝置及其方法。本發(fā)明裝置方案是裝置包括接和面鍍有半透半反膜的分光器，其特征在于分 光器正下方設(shè)置的定位固定的擴(kuò)束整形裝置、擴(kuò)束整形裝置正下方的定位固定的檢測光 源、分光器正右方的定位固定的光學(xué)樣板、分光器正左方的觀察接收屏、分光器正上方的定 位圈口、定位圈口上方設(shè)置的待測透鏡組成，定位圈口為短管狀體，管狀體上端面均布固定 有三個(gè)相同的鋼球，擴(kuò)束整形裝置的光束的中心軸線與光學(xué)樣板的光軸相交于分光器的接 和面上，觀察接收屏垂直于光學(xué)樣板的光軸。本發(fā)明方法方案是檢測方法所使用的裝置由定位固定的分光器、分光器正下方設(shè) 置的定位固定的擴(kuò)束整形裝置、擴(kuò)束整形裝置正下方的定位固定的檢測光源、分光器正右 方的定位固定的光學(xué)樣板、分光器正左方的觀察接收屏、分光器正上方的定位圈口、定位圈 口上方設(shè)置的待測透鏡組成，定位圈口為短管狀體，管狀體上端面均布固定有三個(gè)鋼球，擴(kuò) 束整形裝置的光束的中心軸線與光學(xué)樣板的光軸相交于分光器的接和面上，觀察接收屏垂 直于光學(xué)樣板的光軸；其檢測步驟為1、將另一個(gè)相同形狀的光學(xué)樣板靠緊在定位圈口的上端面上，通過五維平轉(zhuǎn)工作 臺(tái)調(diào)節(jié)使定位圈口上的光學(xué)樣板的光軸與擴(kuò)束整形裝置的光束的中心軸線重合，觀察干涉 條紋，調(diào)節(jié)五維平轉(zhuǎn)工作臺(tái)使定位圈口上的光學(xué)樣板在中心軸線方向上下移動(dòng)，當(dāng)干涉條 紋數(shù)目最少時(shí)，此時(shí)的位置即為兩個(gè)光學(xué)樣板的基準(zhǔn)面距離分光器的中心等間距的位置， 固定定位圈口的位置。2、將定位圈口上的光學(xué)樣板換成待測透鏡，觀測此時(shí)的干涉條紋。3、將觀測到的干涉條紋的圖像特征及用球徑儀等儀器精確測量的光學(xué)樣板的基 準(zhǔn)面的曲率半徑經(jīng)過分析計(jì)算，就可以得到待測透鏡的待測面的半徑偏差、象散偏差、局部
偏差等。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于1、用光學(xué)車間里現(xiàn)有的各種不同曲率半徑的光學(xué)樣板代替價(jià)格昂貴的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭 產(chǎn)生干涉的參考波前。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對透鏡球面曲率半徑的測量，指導(dǎo)工人修改光圈，可實(shí) 現(xiàn)快速無損非接觸在線檢測，大大提高檢驗(yàn)效率和成品率。2、不用長導(dǎo)軌，使儀器小型化。3、定位圈口的上端面的三個(gè)定位鋼球可以實(shí)現(xiàn)放置其上的透鏡基準(zhǔn)面或待測面 所在球面的球心處于三個(gè)鋼球組成的三角形的幾何中心垂線上，該垂線與擴(kuò)束整形裝置的 光束的中心軸線重合，并且對于透鏡相同曲率半徑的基準(zhǔn)面或待測面，其所在球面的球心 處于相同位置，將定位圈口上的光學(xué)樣板換成待測透鏡時(shí)不用進(jìn)行再調(diào)節(jié)就可以得到干涉 條紋，提高了檢測效率。
4
4、可以實(shí)現(xiàn)對待測透鏡的待測面的曲率半徑的計(jì)算。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)斐索干涉原理圖。圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為五維平轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為鏡盤托架的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為兩個(gè)同形狀等腰三角棱鏡接和體示意圖。圖6為兩個(gè)同形狀長方體接和體示意圖。圖中1.分光器，2.光學(xué)樣板，2a.光學(xué)樣板2的基準(zhǔn)面，3.擴(kuò)束整形裝置，4.檢測 光源，5.觀察接收屏，6.光學(xué)樣板，6a.光學(xué)樣板6的基準(zhǔn)面，7.定位圈口，8.萬向節(jié)上座， 9.萬向節(jié)下座，10.螺桿，11.萬向桿，12.三維工作臺(tái)，13.鏡盤托架，14.待測透鏡，14a.待 測透鏡的待測面
具體實(shí)施例方式本發(fā)明裝置包括接和面鍍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正下方設(shè)置的定位固定的擴(kuò)束整形裝置3、擴(kuò)束整形裝置3正下方的定位固定的檢測 光源4、分光器1正右方的定位固定的光學(xué)樣板2、分光器1正左方的觀察接收屏5、分光器 1正上方的定位圈口 7、定位圈口 7上方設(shè)置的待測透鏡14組成，定位圈口 7為短管狀體， 管狀體上端面均布固定有三個(gè)相同的鋼球，擴(kuò)束整形裝置3的光束的中心軸線與光學(xué)樣板 2的光軸相交于分光器1的接和面上，觀察接收屏5垂直于光學(xué)樣板2的光軸。分光器1是兩個(gè)同形狀等邊直角棱鏡接和體或是兩個(gè)同形狀等腰三角棱鏡接和 體或是兩個(gè)同形狀長方體接和體，上述三種接和體的接和面在裝置中處于與光學(xué)樣板2光 軸45度交角狀態(tài)，三者光學(xué)原理是等同的。設(shè)置有五維平轉(zhuǎn)工作臺(tái)，工作臺(tái)結(jié)構(gòu)為三維工作臺(tái)12頂面上固定一個(gè)萬向桿11， 萬向桿11頂部為一個(gè)大于半球形的球臺(tái)，球臺(tái)上部套合有萬向節(jié)上座8，萬向節(jié)上座8下 部中央為半球狀空腔凹槽，另設(shè)置有兩個(gè)對稱的萬向節(jié)下座9，兩個(gè)萬向節(jié)下座9合體后上 部呈球臺(tái)狀空腔，球臺(tái)狀空腔下部為圓孔，萬向節(jié)上座8與萬向節(jié)下座9將萬向桿11球臺(tái) 套合包裹其中后，四螺桿10穿過萬向節(jié)下座9的通孔后擰合在萬向節(jié)上座8的螺紋孔中實(shí) 施定位；萬向節(jié)上座8延展有邊側(cè)板，邊側(cè)板中設(shè)置有臺(tái)階孔，臺(tái)階孔上孔直徑與定位圈口 7管狀體外徑呈動(dòng)配合狀態(tài)，臺(tái)階孔下孔直徑小于定位圈口 7外徑但大于定位圈口 7內(nèi)徑。分光器各有效透射面鍍有增透膜。上述三維工作臺(tái)12為中國專利號(hào)97231037. 1的現(xiàn)有技術(shù)，由于萬向節(jié)上下座與 萬向桿11的套合為過渡配合，兩者之間有阻尼力作用，所以在調(diào)節(jié)過程中間定位圈口 7可 以實(shí)施定位阻尼轉(zhuǎn)動(dòng)及偏擺，五維平轉(zhuǎn)工作臺(tái)可作五維調(diào)節(jié)。將另一個(gè)相同形狀的光學(xué)樣板6靠緊在定位圈口 7的上端面上，從檢測光源4射 出的細(xì)光束入射到用于擴(kuò)大該激光光束直徑的擴(kuò)束整形裝置3，由該擴(kuò)束整形裝置3擴(kuò)束 到適應(yīng)于檢測口徑的光束直徑為止，該光束可以是平行光束或發(fā)散光束。當(dāng)光束入射到分 光器1的半透半反表面分成兩束光束，一束光束沿著光軸X方向射向分光器1正右方的定位固定的光學(xué)樣板2的基準(zhǔn)面加，經(jīng)反射后沿原路返回，形成參考波前。另一束光束沿光 軸Y反方向射向定位圈口 7上的光學(xué)樣板6的基準(zhǔn)面6a，經(jīng)反射后沿原路返回，形成測試波 前。參考波前與測試波前經(jīng)分光棱鏡匯合后形成干涉，在觀察接收屏5處可以觀察到干涉 條紋。通過五維平轉(zhuǎn)工作臺(tái)調(diào)節(jié)使定位圈口 7上的光學(xué)樣板6的光軸與擴(kuò)束整形裝置 3的光束的中心軸線重合，并在中心軸線方向上下移動(dòng)使兩束光束的光程大致相等，在觀 察接收屏5上可以觀察到干涉條紋，而且參考波前和測試波前在前后很大范圍內(nèi)重疊在一 起，因此可在很大的深度范圍內(nèi)觀察到清晰的干涉條紋。觀察干涉條紋，調(diào)節(jié)五維平轉(zhuǎn)工作 臺(tái)使定位圈口 7上的光學(xué)樣板6在中心軸線方向上下移動(dòng)，當(dāng)干涉條紋數(shù)目最少時(shí)，此時(shí)的 位置即為光學(xué)樣板2的基準(zhǔn)面加與光學(xué)樣板6的基準(zhǔn)面6a距離分光器1的中心等間距的 位置，固定定位圈口 7的位置。觀察接收屏5沿光學(xué)樣板2的光軸中心線方向可以前后移 動(dòng)，以便得到合適的干涉圖樣。檢測凸待測透鏡14時(shí)則用凸光學(xué)樣板2，檢測凹檢測透鏡14時(shí)則用凹光學(xué)樣板 2。將定位圈口 7上的光學(xué)樣板6換成鏡盤托架13上的待測透鏡14，定位圈口 7的 上端面的三個(gè)定位鋼球可以實(shí)現(xiàn)放置其上的待測透鏡的待測面Ha所在球面的球心處于 三個(gè)鋼球組成的三角形的幾何中心垂線上，該垂線與擴(kuò)束整形裝置3的光束的中心軸線重 合，并且待測透鏡的待測面Ha所在球面的球心處于相同位置，不用進(jìn)行再調(diào)節(jié)就可以得 到干涉條紋，再由此時(shí)干涉條紋的圖像特征經(jīng)過分析計(jì)算，就可以得到待測透鏡的待測面 14a的半徑偏差、象散偏差、局部偏差等，分光器1正右方的定位固定的光學(xué)樣板2的基準(zhǔn) 面加的曲率半徑可以由球徑儀等儀器精確測量得到，由此可以計(jì)算得到待測透鏡的待測 面14a的曲率半徑。還可以通過在光學(xué)樣板2上裝有壓電陶瓷移相器，驅(qū)動(dòng)光學(xué)樣板2使其產(chǎn)生幾分 之一波長量級(jí)的光程變化，使干涉場產(chǎn)生變化的干涉圖樣，通過對干涉圖樣的處理，自動(dòng)消 除干涉場中的固定噪聲和面陣探測器的不一致性。
權(quán)利要求
1.透鏡面形偏差檢測裝置，包括接和面鍍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正下方設(shè)置的定位固定的擴(kuò)束整形裝置3、擴(kuò)束整形裝置3正下方的定位固 定的檢測光源4、分光器1正右方的定位固定的光學(xué)樣板2、分光器1正左方的觀察接收屏 5、分光器1正上方的定位圈口 7、定位圈口 7上方設(shè)置的待測透鏡14組成，定位圈口 7為短 管狀體，管狀體上端面均布固定有三個(gè)相同的鋼球，擴(kuò)束整形裝置3的光束的中心軸線與 光學(xué)樣板2的光軸相交于分光器1的接和面上，觀察接收屏5垂直于光學(xué)樣板2的光軸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡面形偏差檢測裝置，其特征在于設(shè)置有五維平轉(zhuǎn)工作 臺(tái)，工作臺(tái)結(jié)構(gòu)為三維工作臺(tái)12頂面上固定一個(gè)萬向桿11，萬向桿11頂部為一個(gè)大于半球 形的球臺(tái)，球臺(tái)上部套合有萬向節(jié)上座8，萬向節(jié)上座8下部中央為半球狀空腔凹槽，另設(shè) 置有兩個(gè)對稱的萬向節(jié)下座9，兩個(gè)萬向節(jié)下座9合體后上部呈球臺(tái)狀空腔，球臺(tái)狀空腔下 部為圓孔，萬向節(jié)上座8與萬向節(jié)下座9將萬向桿11球臺(tái)套合包裹其中后，四螺桿10穿過 萬向節(jié)下座9的通孔后擰合在萬向節(jié)上座8的螺紋孔中實(shí)施定位；萬向節(jié)上座8延展有邊 側(cè)板，邊側(cè)板中設(shè)置有臺(tái)階孔，臺(tái)階孔上孔直徑與定位圈口 7管狀體外徑呈動(dòng)配合狀態(tài)，臺(tái) 階孔下孔直徑小于定位圈口 7外徑但大于定位圈口 7內(nèi)徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的透鏡面形偏差檢測裝置，其特征在于分光器各有效透 射面鍍有增透膜。
4.透鏡面形偏差檢測方法，其特征在于檢測方法所使用的裝置由定位固定的分光 器、分光器正下方設(shè)置的定位固定的擴(kuò)束整形裝置、擴(kuò)束整形裝置正下方的定位固定的檢 測光源、分光器正右方的定位固定的光學(xué)樣板、分光器正左方的觀察接收屏、分光器正上方 的定位圈口、定位圈口上方設(shè)置的待測透鏡組成，定位圈口為短管狀體，管狀體上端面均布 固定有三個(gè)鋼球，擴(kuò)束整形裝置的光束的中心軸線與光學(xué)樣板的光軸相交于分光器的接和 面上，觀察接收屏垂直于光學(xué)樣板的光軸；其檢測步驟為①將另一個(gè)相同形狀的光學(xué)樣板靠緊在定位圈口的上端面上，通過五維平轉(zhuǎn)工作臺(tái) 調(diào)節(jié)使定位圈口上的光學(xué)樣板的光軸與擴(kuò)束整形裝置的光束的中心軸線重合，觀察干涉條 紋，調(diào)節(jié)五維平轉(zhuǎn)工作臺(tái)使定位圈口上的光學(xué)樣板在中心軸線方向上下移動(dòng)，當(dāng)干涉條紋 數(shù)目最少時(shí)，此時(shí)的位置即為兩個(gè)光學(xué)樣板的基準(zhǔn)面距離分光器的中心等間距的位置，固 定定位圈口的位置；②將定位圈口上的光學(xué)樣板換成待測透鏡，觀測此時(shí)的干涉條紋；③將觀測到的干涉條紋的圖像特征及用球徑儀等儀器精確測量的光學(xué)樣板的基準(zhǔn)面 的曲率半徑經(jīng)過分析計(jì)算，就可以得到待測透鏡的待測面的半徑偏差、象散偏差、局部偏差寸。
全文摘要
透鏡面形偏差檢測裝置及其方法，涉及小型球面干涉儀。分光器正下方設(shè)置的擴(kuò)束整形裝置、檢測光源、分光器正右方的光學(xué)樣板、正左方的觀察接收屏、分光器正上方的定位圈口、待測透鏡組成，定位圈口管狀體上端面固定有三個(gè)鋼球，擴(kuò)束整形裝置的光束的中心軸線與光學(xué)樣板的光軸相交于分光器的接和面上，觀察接收屏垂直于光學(xué)樣板的光軸。優(yōu)點(diǎn)在于先給定位圈口定位再作檢測，光學(xué)樣板代替價(jià)格昂貴的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭產(chǎn)生干涉的參考波前，實(shí)現(xiàn)對透鏡球面曲率半徑的測量，不能長導(dǎo)軌快速無損非接觸在線檢測。定位圈口的鋼球使透鏡基準(zhǔn)面或待測面處于同一個(gè)三角形的幾何中心垂線上，定位后，待測透鏡時(shí)不用進(jìn)行再調(diào)節(jié)就可以得到干涉條紋，提高了檢測效率。
文檔編號(hào)G01B11/24GK102128596SQ20101055079
公開日2011年7月20日 申請日期2010年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月19日
發(fā)明者卓金寨, 林健, 林峰, 梁秀玲, 王敏, 韓振華 申請人:福建師范大學(xué)