專利名稱：光學(xué)透射球面檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種斐索型光干涉測量裝置，特別是一種用于透鏡凸凹球面面形質(zhì)量 檢驗的光學(xué)透射球面檢測裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有光學(xué)加工行業(yè)對透鏡凸凹球面面形質(zhì)量的檢驗通常是采用樣板法，即通過不 同的光學(xué)樣板與對應(yīng)的被測凸凹球面接觸，再用肉眼觀察由于面形偏差出現(xiàn)的不同光 圈，來對球面面形質(zhì)量進行判斷。檢測時， 一個曲率半徑需要凸凹一對樣板，當(dāng)樣板 面與被檢球面接觸后，被檢球面與樣板面之間如出現(xiàn)空氣間隙就會形成等厚條紋，它 反映的是被檢球面相對于樣板的光圈和局部光圈，然后依據(jù)國標(biāo)GB283卜81要求辨認 光圈，檢測得出透鏡凸凹球面面形質(zhì)量。這種傳統(tǒng)的樣板檢測方法存在的問題是1、 由于每一個曲率半徑值都需要至少一塊樣板，而且需要曲率半徑相同的凸凹對樣板， 因此樣板的面形與曲率半徑按等級都有著不同的質(zhì)量要求，所以球面加工廠家都要有 大量的樣板庫，造成了很高的固定資產(chǎn)類型成本，并且每對樣板的加工也具有一定的 難度；2、樣板法測量是將樣板與被檢球面接觸，屬接觸式測量方法，容易造成被檢球 面表面的損傷，出現(xiàn)劃痕等表面疵病，影響被檢球面的表面光潔度3、樣板法檢驗球 面面形的數(shù)據(jù)是僅以光圈數(shù)來描述，不但方法落后，而且精度較低，樣板自身的誤差 無法定量扣除。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種適用于各種透鏡凸凹球面面形質(zhì)量的檢驗、 一具多用、精 度高且成本低的斐索型光學(xué)透射球面檢測裝置。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，光學(xué)透射球面檢測裝置，它是由數(shù)字 波面干涉儀、透射球面器具、干涉圖監(jiān)視器和計算機組成，透射球面器具位于數(shù)字波 面干涉儀的出射光路上，數(shù)字波面干涉儀同時接收透射球面器具獲取的圖像，經(jīng)數(shù)字 波面干涉儀處理后的圖像輸出信號分別接干涉圖監(jiān)視器和計算機，本發(fā)明的特征在于 透射球面器具是由2 4片光學(xué)正透鏡組合構(gòu)成，組合后的球面標(biāo)準(zhǔn)器具的焦點與透射球面標(biāo)準(zhǔn)器具中末尾正透鏡球面的球心重合；經(jīng)透射球面標(biāo)準(zhǔn)器具后的球面波，正入
射被檢凸凹球面。
本發(fā)明采用球面非接觸干涉的方法，產(chǎn)生超過衍射極限的球面波，當(dāng)該球面波在 各向同性均勻介質(zhì)中傳輸時，波面仍為球面，而曲率半徑都不一樣，相當(dāng)于不同曲率
的球面樣板，只要透射球面標(biāo)準(zhǔn)器具的F數(shù)(相對孔徑的倒數(shù))一定，它就能測試曲率 半徑變化范圍很大的凸凹球面，克服了現(xiàn)有球面樣板與半徑一一對應(yīng)的缺點。其具體
工作原理為由數(shù)字波面干涉儀出射平面波，透過透射球面標(biāo)準(zhǔn)器具后，出射超過衍 射極限的標(biāo)準(zhǔn)球面波，其曲率中心均在透過透射球面標(biāo)準(zhǔn)器具中末尾正透鏡球面曲率 中心處，也與被檢球面的曲率中心重合，末尾正透鏡球面面形作為參考球面。經(jīng)透射 球面標(biāo)準(zhǔn)器具出射的球面波，非接觸正入射被檢球面，返回帶有被檢球面面形偏差信 息的變形球面波，與末尾正透鏡球面反射回的參考球面波干涉，形成干涉條紋圖像。 通過集成在數(shù)字波面干涉儀內(nèi)部的圖像探測器對圖像進行數(shù)字化，送圖像監(jiān)視器顯示 和計算機處理，最后得到被檢球面面形的三維波差圖和二維等值圖。其中，末尾球面 以前光路傳輸特征相同，透鏡系統(tǒng)材料缺陷和光線傳輸誤差等誤差源屬于干涉系統(tǒng)的 公共部分，干涉時自動抵消。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比其顯著的優(yōu)點是(1)本發(fā)明采用球面非接觸干涉的方法， 通過標(biāo)準(zhǔn)透射球面器具得到曲率半徑在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的標(biāo)準(zhǔn)球面波，實現(xiàn)對不 同曲率半徑凸凹球面的檢測，被測件的相對孔徑檢測覆蓋范圍可達F/0.75 11， 一具 多用，克服了現(xiàn)有球面樣板法檢測的缺點；(2)由于透射球面標(biāo)準(zhǔn)器具測量球面面形 的誤差屬非接觸測量，不會損傷被檢球面表面的光潔度，克服了現(xiàn)有球面樣板接觸測 量的缺點；(3)為了保證本發(fā)明作為標(biāo)準(zhǔn)器具的穩(wěn)定性，其末尾正透鏡的球面可用膨 脹系數(shù)小的光學(xué)材料制作，如光學(xué)融石英材料，同時如數(shù)字波面干涉儀選用移相式斐 索型數(shù)字波面干涉儀，可使測量過程自動化，便于實施球面絕對檢驗，且球面面形的 測試精度很高，如果與測量長度的光柵尺、測長干涉儀等配套使用，還可以精確測量 球面的曲率半徑。可廣泛用于光學(xué)加工行業(yè)中對各種透鏡凸凹球面面形質(zhì)量的檢驗。
本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)由以下的附圖和實施例給出。


圖1是根據(jù)本發(fā)明所述光學(xué)透射球面檢測裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明光學(xué)透射球面檢測裝置中透射球面標(biāo)準(zhǔn)器具[2]的組成原理示意圖。
圖3是本發(fā)明應(yīng)用非球面或衍射光學(xué)元件的透射球面器具[2]組成光學(xué)原理示意圖。
圖4是本發(fā)明透射球面器具[2]用于測試凸面的光路布置示意圖。 圖5是本發(fā)明透射球面器具[2]結(jié)合零位補償器干涉測量非球面面形光路布置示 意圖。
圖6是本發(fā)明透射球面器具[2]用于測量長曲率半徑的凹球面光路示意圖.
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細描述。
參見圖1，根據(jù)本發(fā)明制作的光學(xué)透射球面檢測裝置,它是由數(shù)字波面干涉儀1、 透射球面器具2、干涉圖監(jiān)視器4和計算機5組成，數(shù)字波面干涉儀1是基于單幅干涉 圖處理的數(shù)字波面干涉儀或是基于相移技術(shù)的移相式數(shù)字波面干涉儀，干涉圖監(jiān)視器4 用于顯示反映被檢球面面形的干涉圖，計算機5內(nèi)嵌入數(shù)字圖像采集系統(tǒng)和干涉圖處 理軟件，透射球面器具2位于數(shù)字波面干涉儀1的出射光路上，它由2 4片光學(xué)正透 鏡組合構(gòu)成，其中從左向右邊首個光學(xué)正透鏡6采用雙凸透鏡或平凸透鏡，最后一片 正透鏡7采用溫度穩(wěn)定性好的透射光學(xué)材料如光學(xué)融石英制作，球面鍍制增透膜或未 鍍制增透膜，整個透鏡組的焦點與末尾球面球心重合。透鏡組焦點為實焦點，光路方 案為平面波入射、會聚球面波出射。按其F數(shù)區(qū)分， 一套透射球面標(biāo)準(zhǔn)器具可以覆蓋 F/0. 75、 F/1.5、 F/3. 3、 F/7、 F/11。選用時可依據(jù)F數(shù)〈曲率半徑R /測量口徑(()的原 則。透射球面標(biāo)準(zhǔn)器具可以由球面構(gòu)成，也可以由非球面與球面組成，或衍射光學(xué)面 與球面組成，或非球面、衍射光學(xué)面和球面組成。它是根據(jù)允許的制造成本和器具的 體積、重量來確定。如完全用球面構(gòu)成不同F(xiàn)數(shù)的透射球面標(biāo)準(zhǔn)器具，當(dāng)F數(shù)在1.5 以下，采用4片球面透鏡組成，見圖2所示；F數(shù)在2.0 5.0用三片球面透鏡組成；F 數(shù)7.0 11.0用兩片球面透鏡組成。如用便于消除球差和高級球差的非球面或衍射光學(xué)面和球面組成，可縮短了透鏡組的重量和體積。見圖3所示。被測球面3位于透射 球面器具2的焦點F'后的出射球面波上，被測球面3的曲率中心應(yīng)與透鏡組的焦點和 末尾球面球心重合，經(jīng)球面標(biāo)準(zhǔn)器具2后的球面波，應(yīng)正入射被檢凸凹球面3。上述組 合主要適用于測量凹球面面形，它可根據(jù)被測球面口徑與其曲率半徑比值的大小，通 過選擇合適F數(shù)的透射球面器具，實現(xiàn)對其的檢測。
本發(fā)明在測量凸球面面形時，被檢凸球面是置于透射球面標(biāo)準(zhǔn)器具2焦點F'之 前，見圖4所示，其曲率中心與透射球面標(biāo)準(zhǔn)器具2焦點F'重合。測量凸球面選用透 射球面標(biāo)準(zhǔn)器具時，由于需要避免被測凸面接觸到透射球面標(biāo)準(zhǔn)器具的末尾球面，除 應(yīng)滿足F數(shù)< 曲率半徑R /測量口徑小的原則外，還應(yīng)滿足曲率半徑R〈透射球面標(biāo)準(zhǔn)器 具的頂焦距S,.。
本發(fā)明在測量非球面面形時，可通過在透射球面標(biāo)準(zhǔn)器具2和被測球面3之間加 零位補償器8來實現(xiàn)，見圖5所示，零位補償器8可以由球面透鏡組成，也可以用二 元光學(xué)器件組成。測量時，經(jīng)射球面標(biāo)準(zhǔn)器具2出射標(biāo)準(zhǔn)球面波，進入零位補償器8， 轉(zhuǎn)化成非球面波，正入射被檢非球面3，反射回波面再次透過零位補償器8，變成攜帶 非球面面形信息的準(zhǔn)球面波，與參考波面干涉，得到含有非球面面形質(zhì)量信息的干涉 圖樣。
本發(fā)明在測量長曲率半徑球面面形時，透射球面標(biāo)準(zhǔn)器具2為產(chǎn)生虛焦點的透射 球面標(biāo)準(zhǔn)器具，見圖6所示，由數(shù)字波面干涉儀1出射的平行光，轉(zhuǎn)化成發(fā)散形標(biāo)準(zhǔn) 球面波，正入射被檢長曲率半徑凹球面3，反射回光波與參考反射光波干涉，縮短了干 涉腔長，避免空氣擾動對干涉測量的影響。
權(quán)利要求
1、一種光學(xué)透射球面檢測裝置，它是由數(shù)字波面干涉儀[1]、透射球面器具[2]、干涉圖監(jiān)視器[4]和計算機[5]組成，透射球面器具[2]位于數(shù)字波面干涉儀[1]的出射光路上，數(shù)字波面干涉儀[1]同時接收透射球面器具[2]獲取的圖像，經(jīng)數(shù)字波面干涉儀[1]處理后的圖像輸出信號分別接干涉圖監(jiān)視器[4]和計算機[5]，本發(fā)明的特征在于透射球面器具[2]是由2～4片光學(xué)正透鏡組合構(gòu)成，組合后的球面標(biāo)準(zhǔn)器具[2]的焦點與透射球面標(biāo)準(zhǔn)器具[2]中末尾正透鏡[7]球面的球心重合；經(jīng)球面標(biāo)準(zhǔn)器具[2]后的球面波，正入射被檢凸凹球面[3]。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述光學(xué)透射球面檢測裝置，其特征是構(gòu)成上述透射球面器具 [2]的光學(xué)正透鏡由球面組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述光學(xué)透射球面檢測裝置，其特征是構(gòu)成上述透射球面器具 [2]的光學(xué)正透鏡由非球面與球面組成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述光學(xué)透射球面檢測裝置，其特征是構(gòu)成上述透射球面器具 [2]的光學(xué)正透鏡由衍射光學(xué)面與球面組成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述光學(xué)透射球面檢測裝置，其特征是構(gòu)成上述透射球面器具 [2]的光學(xué)正透鏡由非球面、衍射光學(xué)面和球面組成。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1 5所述光學(xué)透射球面檢測裝置，其特征是構(gòu)成上述透射球面 器具[2]的首個光學(xué)正透鏡[6]為雙凸透鏡或平凸透鏡。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1 5所述光學(xué)透射球面檢測裝置，其特征是構(gòu)成上述透射球面 器具[2]的末尾正透鏡[7]采用膨脹系數(shù)小的光學(xué)材料制作，球面鍍制增透膜或未 鍍制增透膜。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述光學(xué)透射球面檢測裝置，其特征是構(gòu)成上述透射球面器具 [2]的末尾正透鏡[7]采用膨脹系數(shù)小的光學(xué)材料制作，球面鍍制增透膜或未鍍制增透膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于透鏡凸凹球面面形質(zhì)量檢驗的光學(xué)透射球面檢測裝置，其特征是采用球面非接觸干涉的方法，通過一組正透鏡構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)透射球面器具得到曲率半徑在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的標(biāo)準(zhǔn)球面波，實現(xiàn)對不同曲率半徑凸凹球面的檢測，被測件的相對孔徑檢測覆蓋范圍可達F/0.75～11，具有一具多用、不損傷被檢球面表面光潔度以及測試精度高等特點，克服了現(xiàn)有球面樣板接觸測量的缺點；如果與測量長度的光柵尺、測長干涉儀等配套使用，還可以精確測量球面的曲率半徑?？蓮V泛用于光學(xué)加工行業(yè)中對各種透鏡凸凹球面面形質(zhì)量的檢驗。
文檔編號G01B11/24GK101545760SQ20081002455
公開日2009年9月30日 申請日期2008年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月26日
發(fā)明者勇 何, 朱日宏, 青 王, 磊 陳, 高志山 申請人:南京理工大學(xué)