专利名称：球端面锥形透镜的面形测量方法
技术领域：
本发明涉及光学检测领域，特别是一种球端面锥形透镜的面形测量方法。
背景技术：
锥形透镜作为一个旋转对称角锥形光学元件，它可以为光学系统提供一个长焦深，由于这一优点它在许多领域被广泛使用，诸如成像光学系统、光学测试、激光加工、激光束整形、激光谐振腔、非衍射光束的产生等方面，且在光刻照明中利用锥形透镜可以实现环形照明模式。这就对锥形面的制作精度提出了严格的要求，锥形面的制作需要精确的测量方法。一般情况下，锥形透镜的非锥面被做成平端面，若将该面做成球端面可使系统像质更佳，结构更紧凑，透过率提高，但这对锥形透镜的面形检测提出了更加严格的要求，需要找到可靠的检测方法。在先技术[I](Sanjib Chatterjee andY. Pavan Kumar. “Measurement of thesurface profile of an axicon lens with a polarization phase-shifting shearinginterferometer”, Appl. Opt. 50(32) :6057-6062 (2011).)利用基于偏振相移径向干涉技术的泰曼格林干涉仪检测平端面 锥形透镜面形。用偏振分束镜把平端面锥形透镜的入射光分成透射光和反射光两部分，然后对这两部分进行分束和合束，使不同光程差的两路径的光束沿着径向方向进行线性剪切干涉，利用获得的光程差图形得到平端面锥形透镜的面形信息。在此方法中，需要对透射光和反射光这两部分光束进行调整，使它们在合束以后产生剪切干涉，但该方法只是针对平端面锥形透镜进行检测，并且对大角度锥形透镜的测量是无效的。在先技术[2](David Kupka, Philip Schlup ,and RandyA. Bartels, “Self-referenced interferometry for the characterization of axiconlens quality”，Appl. Opt. 47 (9) : 1200-1205 (2008) ·)用于平端面锥形透镜特性测量的一个简单的干涉仪。通过被测平端面锥形透镜的光波与共线的参考光波发生干涉，利用产生的柱形对称自参考干涉图案获得被测平端面锥形透镜面形的畸变。此方法需要利用反射镜的倾斜来调整分束镜得到的两路光，使它们发生干涉，但该方法只是针对平端面锥形透镜进行检测，并且只能测大锥角锥形透镜的面形。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种测量球端面锥形透镜的面形的方法。该方法应具有操作简单，对锥角没有限制，易于测量等优点。本发明的技术解决方案如下—种球端面锥形透镜的面形测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤①根据待测球端面锥形透镜的锥面制作与之匹配的凹面锥形反射镜该凹面锥形反射镜的锥角P = 90"-/ ，式中β = arcsin (Ii1Sin θ ) - Θ表示待测球端面锥形透镜对光束的折射角，其中η1; Θ分别为待测球端面锥形透镜的折射率和锥角，这些参数可从设计图纸中或实际测量得到；②根据待测球端面锥形透镜的球端面制作与之匹配的补偿镜；该补偿镜使得平行光通过该补偿镜和球端面锥形透镜的球端面后仍为平行光；该补偿镜(前、后表面半径A、r2，厚度d，口径Φ2)的设计以及与待测球端面锥形透镜(口径之间的距离t由球端面锥形透镜的材料(折射率!^)、球端面的半径r以及非球面系数决定，这些参数可从设计图纸中或实际测量得到；为使结构紧凑，一般取Φ2= 为一个较小数值，d为Φ2/10左右，任选一种材料(折射率η2),取!T1 =°°, r2 = r,将叫、n2、r2、r、d、t、θ、φ、φ卜φ2以及检测平行光束的波长、球端面锥形透镜和凹面锥形反射镜之间的距离L等参数代入光学设计软件(ZEMAX、C0DE V等)，并将设为变量进行优化设计，在运用软件进行优化设计的过程中，可以使用操作数(RAED或RAEN)来控制平行光通过补偿镜和球端面锥形透镜的球端面后的光线角度为0，使出射光线仍为平行光，则可得到一个更加理想的结构r2总是近似等于r，与r的细微差别是由于补偿镜与球端面锥形透镜之间存在空气间隔t，如果ηι、η2不同，Γ!将不等于00 ;当n2趋近于Ii1时，!T1趋近于00 ;特别的，当A=Ii1时，!T1 =°°，最后根据优化出的结构参数制作出在误差允许范围内的补偿镜；③在移相干涉仪输出的平行光束方向依次置入平面标准镜、补偿镜、待测球端面锥形透镜和凹面锥形反射镜，所述的待测球端面锥形透镜的球端面朝向移相干涉仪的出光方向，所述的凹面锥形反射镜的凹面朝向移相干涉仪的出光方向；④调整光路调整所述的平面标准镜的平行平面与所述的平行光束垂直；调整所述的补偿镜的中轴与移相干涉仪出射光束的中轴重合；调整所述的待测球端面锥形透镜的中轴与补偿镜的中轴重合；调整所述的凹面锥形反射镜，使所述的凹面锥形反射镜的中轴与待测球端面锥形透镜的中轴重合；⑤所述的移相干涉仪出射的光束透过所述的平面标准镜形成平行的测量光束，测量光束经所述的平面标准镜返回的光束称为参考光束；所述的测量光束经过所述的补偿镜入射到所述的待测球端面锥形透镜的球端面后成为平行光，球端面锥形透镜的出射光束入射到所述的凹面锥形反射镜上，反射后沿原路返回并与平面标准镜返回的参考光束产生干涉；⑥调整待测球端面锥形透镜和凹面锥形反射镜之间的距离获得清晰的干涉条纹，利用所述的移相干涉仪检测所述的干涉条纹，得到待测球端面锥形透镜的面形。与在先技术相比，本发明的技术效果如下1.可以实现对任意角度球端面锥形透镜面形的测量；2.此方法操作简单，易于实现测量。
图1是本发明球端面锥形透镜的面形测量方法的原理2为本发明球端面锥形透镜的面形测量方法实施例一的结构示意3为本发明球端面锥形透镜的面形测量方法实施例二的结构示意图
具体实施例方式下面结合附图和实施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是本发明所述球端面锥形透镜的面形测量方法的原理图。由图可见，本发明测量球端面锥形透镜面形的方法包括以下步骤①根据待测球端面锥形透镜4的锥面制作与之匹配的凹面锥形反射镜5 :该凹面锥形反射镜5的锥角￠5= 90 -/ ，式中β = arcsin (Ii1Sin θ ) - Θ表示待测球端面锥形透镜4的锥面对光束的折射角，其中Ii1, Θ分别为待测球端面锥形透镜4的折射率和锥角；②根据待测球端面锥形透镜4的球端面制作与之匹配的补偿镜3 ;该补偿镜3使得平行光通过该补偿镜3和球端面锥形透镜4的球端面后仍为平行光；该补偿镜3的前表面半径Γι、后表面半径r2，厚度d，口径Φ2以及与待测球端面锥形透镜4 (口径Ct1)之间的距离t由球端面锥形透镜4的材料折射率Ii1、球端面的半径r以及非球面系数决定，这些参数可从设计图纸中或实际测量得到；为使结构紧凑，一般取Φ2 = φ I，t为一个较小数值，d为φ2/10左右,任选一种材料浙射率112),取!T1 =o°,r2 =r,将nprvrpivr、d、t、θ、φ、φ ^ φ2以及检测平行光束的波长、球端面锥形透镜4和凹面锥形反射镜5之间的距离L等参数代入光学设计软件(ZEMAX、CODE V等)，并将r2设为变量进行优化设计，在运用软件进行优化设计的过程中，可以使用操作数(RAED或RAEN)来控制平行光通过补偿镜3和球端面锥形透镜4的球端面后的光线角度为0，使出射光线仍为平行光，则可得到一个更加理想的结构r2总是近似等于r，与r的细微差别是由于补偿镜3与球端面锥形透镜4之间存在空气间隔t，如果ηι、n2不同，Γι将不等于⑴；当η2趋近于Il1时，!T1趋近于00 ;特别的，当A=Il1时，!T1 最后根据优化出的结构参数制作出在误差允许范围内的补偿镜3;③在移相干涉仪I输出的平行光束方向依次置入平面标准镜2、补偿镜3、待测球端面锥形透镜4和凹面锥形反射镜5，所述的待测球端面锥形透镜4的球端面朝向移相干涉仪I的出光方向，所述的凹面 锥形反射镜5的凹面朝向移相干涉仪I的出光方向；④调整光路调整所述的平面标准镜2的平行平面与所述的平行光束垂直；调整所述的补偿镜3的中轴与移相干涉仪I出射光束的中轴重合；调整所述的待测球端面锥形透镜4的中轴与补偿镜3的中轴重合；调整所述的凹面锥形反射镜5，使所述的凹面锥形反射镜5的中轴与待测球端面锥形透镜4的中轴重合；⑤所述的移相干涉仪I出射的光束透过所述的平面标准镜2形成平行的测量光束，测量光束经所述的平面标准镜2返回的光束称为参考光束；所述的测量光束经过所述的补偿镜3入射到所述的待测球端面锥形透镜4的球端面后成为平行光，球端面锥形透镜4的出射光束入射到所述的凹面锥形反射镜5上，反射后沿原路返回并与平面标准镜2返回的参考光束产生干涉；⑥调整待测球端面锥形透镜4和凹面锥形反射镜5之间的距离获得清晰的干涉条纹，利用所述的移相干涉仪I检测所述的干涉条纹，得到待测球端面锥形透镜4的面形。实施例1本发明实施例1的结构如图2所示，待测球端面锥形透镜4是球端面凸面锥形透镜，其具体结构如下①根据待测球端面锥形透镜4的锥面制作与之匹配的凹面锥形反射镜5 :该凹面锥形反射镜5的锥角￠7 = 90 -#，式中β = arcsin (Ii1Sin θ ) - Θ表示待测球端面锥形透镜4的锥面对光束的折射角，其中Ii1, Θ分别为待测球端面锥形透镜4的折射率和锥角，这些参数可从设计图纸中或实际测量得到；凹面锥形反射镜5的口径Φ3> c^-c^tanM，Cj5l表示待测球端面锥形透镜4的口径；②根据待测球端面锥形透镜4的球端面制作与之匹配的补偿镜3 ;该补偿镜3使得平行光通过该补偿镜(3)和球端面锥形透镜(4)的球端面后仍为平行光；该补偿镜3 (前、后表面半径r1、r2，厚度d，口径Φ2)的设计以及与待测球端面锥形透镜(4) (口径之间的距离t由球端面锥形透镜4的材料(折射率ηι)、球端面的半径r以及非球面系数决定，这些参数可从设计图纸中或实际测量得到；为使结构紧凑，一般取Φ2= 为一个较小数值，d为Φ2/10左右,任选一种材料(折射率η2),取T1 =°°, r2 = r,将叫、n2、r”r2、r、d、t、θ、φ、Φρ Φ2以及检测平行光束的波长、球端面锥形透镜4和凹面锥形反射镜5之间的距离L等参数代入光学设计软件(ZEMAX、C0DE V等)，并将设为变量进行优化设计，在运用软件进行优化设计的过程中，可以使用操作数(RAED或RAEN)来控制平行光通过补偿镜3和球端面锥形透镜4的球端面后的光线角度为0，使出射光线仍为平行光，则可得到一个更加理想的结构r2总是近似等于r，与r的细微差别是由于补偿镜3与球端面锥形透镜4之间存在空气间隔t,如果Iipn2不同,!T1将不等于00 ;当n2趋近于Ii1时，!T1趋近于00 ;特别的，当η2=ηι时，Γι =°°，最后根据优化出的结构参数制作出在误差允许范围内的补偿镜3 ；③在移相干涉仪(I)输出的平行光束方向依次置入平面标准(2、补偿镜3、待测球端面锥形透镜4和凹面锥形反射镜5，所述的待测球端面锥形透镜4的球端面朝向移相干涉仪I的出光方向，所述的凹面锥形反射镜5的凹面朝向移相干涉仪I的出光方向；④调整光路调整所述的平面标准镜2的平行平面与所述的平行光束垂直；调整所述的补偿镜3的中轴与移相干涉仪I出射光束的中轴重合；调整所述的待测球端面锥形透镜4的中轴与补偿镜3的中轴重合；调整所述的凹面锥形反射镜5，使所述的凹面锥形反射镜5的中轴与待测球端面锥形透镜4的中轴重合；⑤所述的 移相干涉仪I出射的光束透过所述的平面标准镜2形成平行的测量光束，测量光束经所述的平面标准镜2返回的光束称为参考光束；所述的测量光束经过所述的补偿镜3入射到所述的待测球端面锥形透镜4的球端面后成为平行光，球端面锥形透镜4的出射光束入射到所述的凹面锥形反射镜5上，反射后沿原路返回并与平面标准镜2返回的参考光束产生干涉；⑥调整待测球端面锥形透镜4和凹面锥形反射镜5之间的距离获得清晰的干涉条纹，利用所述的移相干涉仪I检测所述的干涉条纹，得到待测球端面锥形透镜4的面形信
肩、O所述待测球端面锥形透镜4的折射率和锥角分别为Ii1、Θ，光束经待测球端面锥形透镜4后的折射角β表示为β = arcsin (Ii1Sin θ ) - Θ (I)所述凹面锥形反射镜5的锥角为
权利要求
1.一种球端面锥形透镜的面形测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 ①根据待测球端面锥形透镜(4)的锥面制作与之匹配的凹面锥形反射镜(5):该凹面锥形反射镜(5)的锥角f/ = 90K，式中β = arcsinOi1Sin θ )- Θ表示待测球端面锥形透镜(4)的锥面对光束的折射角，其中Ii1, Θ分别为待测球端面锥形透镜(4)的折射率和锥角； ②根据待测球端面锥形透镜(4)的球端面制作与之匹配的补偿镜(3);该补偿镜(3)使得平行光通过该补偿镜(3)和球端面锥形透镜(4)的球端面后仍为平行光； ③在移相干涉仪(I)输出的平行光束方向依次置入平面标准镜(2)、所述的补偿镜(3)、待测球端面锥形透镜(4)和所述的凹面锥形反射镜(5)，所述的待测球端面锥形透镜(4)的球端面朝向移相干涉仪(I)的出光方向，所述的凹面锥形反射镜(5)的凹面朝向移相干涉仪(I)的出光方向； ④调整光路调整所述的平面标准镜(2)的平行平面与所述的平行光束垂直；调整所述的补偿镜(3)的中轴与移相干涉仪(I)出射光束的中轴重合；调整所述的待测球端面锥形透镜(4)的中轴与所述的补偿镜(3)的中轴重合；调整所述的凹面锥形反射镜(5)，使所述的凹面锥形反射镜(5)的中轴与待测球端面锥形透镜(4)的中轴重合； ⑤所述的移相干涉仪(I)出射的光束透过所述的平面标准镜(2)形成平行的测量光束，该测量光束经所述的平面标准镜(2)返回的光束称为参考光束；所述的测量光束经过所述的补偿镜(3)入射到所述的待测球端面锥形透镜(4)的球端面后成为平行光，球端面锥形透镜(4)的出射光束入射到所述的凹面锥形反射镜(5)上，反射后沿原路返回并与平面标准镜(2)返回的参考光束产生干涉； ⑥调整待测球端面锥形透镜(4)和凹面锥形反射镜(5)之间的距离获得清晰的干涉条纹，利用所述的移相干涉仪(I)检测所述的干涉条纹，得到待测球端面锥形透镜(4)的面形。
全文摘要
一种球端面锥形透镜的面形测量方法，该方法包括以下步骤制作匹配的凹面锥形反射镜，制作匹配的补偿镜，在移相干涉仪输出的平行光束方向依次置入平面标准镜、所述的补偿镜、待测球端面锥形透镜和所述的凹面锥形反射镜，调整光路利用所述的移相干涉仪检测所述的干涉条纹，得到待测球端面锥形透镜的面形。本发明具有操作简单，对锥角没有限制，易于测量等优点。
文档编号G01B11/24GK103063158SQ20121057291
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者张善华, 袁乔, 曾爱军, 黄惠杰 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所
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