高反射率凹轴锥镜的面形检测系统及检测方法

摘要

一种高反射率凹轴锥镜的面形检测系统及检测方法，检测系统包括：移相干涉仪、平面标准镜、工作台和调整架，待测凹轴锥镜固定在调整架上，其轴线与移相干涉仪的光轴平行且锥面朝向移相干涉仪的出光方向，调整架安装在工作台上，通过工作台在待测凹轴锥镜轴线方向上的定位扫描移动，以及移相干涉仪的测量光束在待测凹轴锥镜锥面的两次反射和平面标准镜的反射，测量得到待测凹轴锥镜上两个不同径向位置叠加的面形图，并解出待测凹轴锥镜各个不同径向位置的环带面形，最后得到待测凹轴锥镜的面形。本发明具有结构简单，适用性强，对测量件无损伤等优点。

权利要求

1.一种利用高反射率凹轴锥镜的面形检测系统进行凹轴锥镜面形的检测方法，该面形检测系统包含：移相干涉仪(1)、平面标准镜(2)、工作台(3)和调整架(4)，待测凹轴锥镜(5)固定在调整架(4)上，调整架(4)安装在工作台(3)上，所述的待测凹轴锥镜(5)轴线与移相干涉仪(1)的光轴方向平行且锥面朝向移相干涉仪(1)的出光方向，所述的工作台(3)移动方向和移相干涉仪(1)的光轴方向平行，其移动范围确保待测凹轴锥镜(5)的锥面顶点与平面标准镜(2)第二表面的最大距离为D/2sinθ，其中D和θ分别为待测凹轴锥镜(5)的口径和锥角大小；所述的移相干涉仪(1)出射的光束依次入射到所述的平面标准镜(2)的第一表面和第二表面，经该平面标准镜(2)第二表面反射的平行光作为参考光束，经该平面标准镜(2)第二表面透射的平行光作为测量光束；所述的测量光束经所述的待测凹轴锥镜(5)反射后，斜入射到所述的平面标准镜(2)的第二表面，经该第二表面反射再次入射到所述的待测凹轴锥镜(5)，经该待测凹轴锥镜(5)反射后，垂直入射到所述的平面标准镜(2)的第二表面，依次经该第二表面和第一表面透射后与参考光束发生干涉，由移相干涉仪(1)接收，得到相应的面形信息；其特征在于，该方法包括以下步骤：①将待测凹轴锥镜(5)固定在调整架(4)上，通过调节调整架(4)使待测凹轴锥镜(5)的中轴与移相干涉仪(1)的中轴重合且锥面朝向移相干涉仪(1)的出光方向；

②根据待测凹轴锥镜(5)的口径D和锥角θ，确定工作台(3)的扫描起点位置O，确保待测凹轴锥镜(5)的锥面顶点与平面标准镜(2)第二表面的距离为D/4sinθ；

将待测凹轴锥镜(5)的口径沿径向从里至外进行N等分，则该待测凹轴锥镜(5)的面形数据为N个环带面形Wi之和，其中i＝1,2…N；

③将工作台(3)移动到扫描起点位置O，通过调节调整架(4)使干涉条纹数最少并调节干涉条纹对比度，得到的面形数据取第1等分，定义为O1，则O1＝W1+WN(180°)，其中(180°)表示将其环带面形数据旋转180°得到结果；

④将工作台(3)朝向移相干涉仪(1)的方向并沿着其中轴进行移动，移动间距为D/

4Nsinθ，终点位置为P，调节调整架(4)使干涉条纹数最少并调节干涉条纹对比度，此时得到的面形数据取第N‑1等分，定义为PN‑1，则PN‑1＝WN‑1+W1(180°)；

⑤将工作台(3)移动回到扫描起点位置O，开始远离移相干涉仪(1)的方向并沿着其中轴进行等间距扫描移动，每次扫描移动间距为D/4Nsinθ，扫描终点位置为Q，在终点位置Q处，待测凹轴锥镜(5)的锥面顶点与平面标准镜(2)第二表面的距离为D/2sinθ‑D/2Nsinθ；

在每个扫描位置，调节调整架(4)使干涉条纹数最少并调节干涉条纹对比度，在第i次扫描中，得到的面形数据分别取第i+1等分，定义为Qi，其中i＝1,2…N‑2，则QN‑2＝WN‑1+WN(180°)；

⑥令W1≈W1(180°)，由上述关系式可以得到，WN‑1＝(PN‑1+QN‑2‑O1)/2，W1＝O1‑QN‑2+WN‑1,Wi＝Qi‑QN‑2+WN‑1，其中i＝2,3…(N‑2)，WN＝(QN‑2‑WN‑1)180°,(QN‑2‑WN‑1)180°表示将(QN‑2‑WN‑1)的面形数据旋转180°得到的结果，最后得到N组代表待测凹轴锥镜(5)不同径向位置处的环带面形数据Wi，其中i＝1,2…N，完成待测凹轴锥镜(5)全口径的面形测量。

说明书

高反射率凹轴锥镜的面形检测系统及检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光学检测领域，特别是一种基于移相干涉仪的高反射率凹轴锥镜面形检测系统及方法。
技术背景

[0002] 轴锥镜是一种旋转对称角锥形光学元件，由于它长的焦深以及窄的横向宽度，被广泛应用于成像光学系统、激光束整形等方面。反射型轴锥镜可以用来产生无衍射贝塞尔
光束、空心圆锥光束以及原子阱等。目前对于反射型轴锥镜面形的测量，主要以干涉仪及
CGH进行测量或者接触式测量为主，对于高反射率轴锥镜，还需要在干涉测量系统中加入一
些衰减片等光学元件。因此，高反射率轴锥镜的光学加工也受限于其面形的精确检测技术，
在一定程度上影响了其应用。

[0003] 在先技术1(Jun Ma,Christof Pruss,Rihong Zhu,Zhishan Gao,Caojin Yuan,and Wolfgang Osten,"An absolute test for axicon surfaces,"Opt.Lett.36,2005‑
2007(2011)) 利用零位补偿的干涉测量方法对轴锥镜进行面形测量，该方法对每种轴锥镜
都要制作相应的计算全息图，且对高反射率的轴锥镜测量还需要在光路中加入衰减片，同
时在测量中需要对零位补偿镜和被测件进行严格的对准。

[0004] 在先技术2(袁乔，曾爱军，张善华，黄惠杰，高反射率凹面锥形反射镜的面形检测方法，中国发明专利201210573251.X)公开了一种高反射率凹面锥形反射镜的面形评价方
法。该方法在测试过程中经过了轴锥镜不同测试区域，并且测量结果只能作为评估轴锥镜
的面形质量好坏，没有得出具体的面形数据。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于移相干涉仪的高反射率凹轴锥镜面形检测系统及方法。该方法操作简单，对测量件无损伤，易于实现对锥角大于90°
的高反射率凹轴锥镜的面形测量。

[0006] 本发明的技术解决方案如下：

[0007] 一种高反射率凹轴锥镜的面形检测系统，其特点在于包含：移相干涉仪、平面标准镜、工作台和调整架，待测凹轴锥镜固定在调整架上，调整架安装在工作台上。所述的待测
凹轴锥镜轴线与移相干涉仪的光轴方向平行且锥面朝向移相干涉仪的出光方向，所述的工
作台移动方向和移相干涉仪的光轴方向平行，其移动范围确保待测凹轴锥镜的锥面顶点与
平面标准镜第二表面的最大距离为D/2sinθ，其中D和θ分别为待测凹轴锥镜的口径和锥角
大小。

[0008] 所述的移相干涉仪出射的光束经所述的平面标准镜第二表面返回的光束形成参考光束，经所述的平面标准镜透射形成平行的测量光束；所述的测量光束分别经所述的待
测凹轴锥镜、所述的平面标准镜第二表面以及待测凹轴锥镜所反射，回到移相干涉仪与参
考光束发生干涉，利用干涉条纹，可以得到相应的面形信息。

[0009] 所述的高反射率凹轴锥镜的面形检测系统的工作原理是：通过工作台在待测凹轴锥镜轴线方向上的定位扫描移动，以及移相干涉仪的测量光束在待测凹轴锥镜锥面的两次
反射和平面标准镜的反射，测量得到待测凹轴锥镜上两个不同径向位置叠加的面形图，并
解出待测凹轴锥镜各个不同径向位置的环带面形，最后得到待测凹轴锥镜的面形。

[0010] 所述的移相干涉仪是干涉条纹对比度可以调节的移相干涉仪，所述的平面标准镜安装在移相干涉仪的接口上。所述的工作台在所述的移相干涉仪光轴方向带有精确的位移
刻度，并带动所述的调整架在此方向上移动。所述的调整架是多维调整架，用于对所述的待
测凹轴锥镜进行固定并调节。所述的待测凹轴锥镜是锥角大于90°的凹轴锥镜，可由铜或者
铝等高反射率材料加工而成，测量口径不大于所述的移相干涉仪的光束口径大小。

[0011] 利用上述高反射率凹轴锥镜的面形检测系统进行凹轴锥镜面形的检测方法，该方法包括以下步骤：

[0012] ①将待测凹轴锥镜固定在调整架上，通过调节调整架使待测凹轴锥镜的中轴与移相干涉仪的中轴重合且锥面朝向移相干涉仪的出光方向；

[0013] ②根据待测凹轴锥镜的口径D和锥角θ，确定工作台的扫描起点位置O，确保待测凹轴锥镜的锥面顶点与平面标准镜第二表面的距离为D/4sinθ；

[0014] 将待测凹轴锥镜的口径沿径向从里至外进行N等分，则该待测凹轴锥镜的面形数据为N个环带面形Wi之和，其中i＝1,2…N；

[0015] ③将工作台移动到扫描起点位置O，通过调节调整架使干涉条纹数最少并调节干涉条纹对比度，得到的面形数据取第1等分，定义为O1，则O1＝W1+WN(180°)(其中(180°)表示将其
环带面形数据旋转180°得到结果。)；

[0016] ④将工作台朝向移相干涉仪的方向并沿着其中轴进行移动，移动间距为 D/4Nsinθ，终点位置为P，调节调整架使干涉条纹数最少并调节干涉条纹对比度，此时得到的面形数
据取第N‑1等分，定义为PN‑1，则PN‑1＝WN‑1+W1(180°)；

[0017] ⑤将工作台移动回到扫描起点位置O，开始远离移相干涉仪的方向并沿着其中轴进行等间距扫描移动，每次扫描移动间距为D/4Nsinθ，扫描终点位置为Q，在终点位置Q处，
待测凹轴锥镜的锥面顶点与平面标准镜第二表面的距离为 D/2sinθ‑D/2Nsinθ。在每个扫
描位置，调节调整架使干涉条纹数最少并调节干涉条纹对比度，在第i次扫描中，得到的面
形数据分别取第i+1等分，定义为Qi，其中i＝1,2…N‑2，则QN‑2＝WN‑1+WN(180°)；

[0018] ⑥令W1≈W1(180°)，由上述关系式可以得到，WN‑1＝(PN‑1+QN‑2‑O1)/2，W1＝O1‑QN‑2+WN‑1, 同理可以推导得到Wi＝Qi‑QN‑2+WN‑1，其中i＝2,3…(N‑2)，WN＝(QN‑2‑WN‑1)180°,其中 (QN‑2‑
WN‑1)180°表示将(QN‑2‑WN‑1)的面形数据旋转180°得到的结果，最后得到N组代表待测凹轴锥
镜不同径向位置处的环带面形数据Wi，其中i＝1,2…N，完成待测凹轴锥镜全口径的面形测
量。

[0019] 本发明的技术效果如下：

[0020] 1.利用非接触式的方法实现高反射率凹面轴锥镜的测量，并且可以适用于大部分不同的锥角及口径大小的轴锥镜；

[0021] 2.检测系统基于移相干涉仪及标准反射平面镜，不需要额外的光学附件，具有系统简单，测量成本低，快速测量等优点。

附图说明

[0022] 图1为本发明高反射率凹轴锥镜的面形检测结构示意图；

[0023] 图2为待测凹轴锥镜的不同径向位置划分示意图；

[0024] 图3为本发明高反射率凹轴锥镜的面形检测系统在扫描起点位置O的结构示意图；

[0025] 图4为本发明高反射率凹轴锥镜的面形检测系统在扫描位置P的结构示意图；

[0026] 图5为本发明高反射率凹轴锥镜的面形检测系统在扫描位置Q的结构示意图；

[0027] 其中，1、移相干涉仪；2、平面标准镜；3、工作台；4、调整架；5、待测凹轴锥镜。

具体实施方式

[0028] 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。

[0029] 先请参阅图1，图1是本发明所述高反射率凹轴锥镜的面形检测结构示意图，由图可见，本发明高反射率凹轴锥镜的面形检测系统包括：移相干涉仪1、平面标准镜2、工作台
3、调整架4、待测凹轴锥镜5。所述的待测凹轴锥镜5固定在调整架4上，调整架4安装在工作
台3上。所述的待测凹轴锥镜5轴线与移相干涉仪1 的光轴方向平行且锥面朝向移相干涉仪
1的出光方向，所述的工作台3移动方向和移相干涉仪1的光轴方向平行。所述的移相干涉仪
1出射的光束经所述的平面标准镜2第二表面返回的光束形成参考光束，经所述的平面标准
镜2透射形成平行的测量光束；所述的测量光束分别经所述的待测凹轴锥镜5、所述的平面
标准镜2第二表面以及待测凹轴锥镜5所反射，回到移相干涉仪1与参考光束发生干涉，利用
干涉条纹，可以得到相应的面形信息。

[0030] 所述的移相干涉仪1是干涉条纹对比度可以调节的移相干涉仪，所述的平面标准镜2安装在移相干涉仪1的接口上。所述的工作台3在所述的移相干涉仪1光轴方向带有精确
的位移刻度，并带动所述的调整架4在此方向上移动。所述的调整架 4是多维调整架，用于
对所述的待测凹轴锥镜5进行固定并调节。所述的待测凹轴锥镜5是锥角大于90°的凹轴锥
镜，可由铜或者铝等高反射率材料加工而成，测量口径不大于所述的移相干涉仪1的光束口
径大小。

[0031] 基于上述面形检测系统的高反射率凹轴锥镜面形检测方法，包含以下步骤：

[0032] ①将待测凹轴锥镜5固定在调整架4上，通过调节调整架4使待测凹轴锥镜5 的中轴与移相干涉仪1的中轴重合且锥面朝向移相干涉仪1的出光方向；

[0033] ②根据待测凹轴锥镜5的口径以及锥角确定工作台3的扫描起点位置O，使待测凹轴锥镜5的锥面顶点与平面标准镜2第二表面的距离为D/4sinθ，其中D和θ分别为待测凹轴
锥镜5的口径和锥角大小。同时，将待测凹轴锥镜5的口径D从里至外进行N等分，则其面形数
据可划分为N组代表待测凹轴锥镜5不同径向位置处的环带面形Wi，其中i＝1,2…N；

[0034] ③将工作台3移动到扫描起点位置O，通过调节调整架4使干涉条纹数最少并调节干涉条纹对比度，得到的面形数据取第1等分，定义为O1，则O1＝W1+WN(180°)(其中(180°)表示将
其环带面形数据旋转180°得到结果。)；

[0035] ④将工作台3朝向移相干涉仪1的方向并沿着其中轴进行移动，移动间距为 D/4Nsinθ，终点位置为P，调节调整架4使干涉条纹数最少并调节干涉条纹对比度，此时得到的
面形数据取第N‑1等分，定义为PN‑1，则PN‑1＝WN‑1+W1(180°)；

[0036] ⑤将工作台3移动回到扫描起点位置O，开始远离移相干涉仪1的方向并沿着其中轴进行等间距扫描移动，每次扫描移动间距为D/4Nsinθ，扫描终点位置为Q，在终点位置Q
处，待测凹轴锥镜5的锥面顶点与平面标准镜2第二表面的距离为 D/2sinθ‑D/2Nsinθ。在每
个扫描位置，调节调整架4使干涉条纹数最少并调节干涉条纹对比度，在第i次扫描中，得到
的面形数据分别取第i+1等分，定义为Qi，其中i＝1,2…N‑2，则QN‑2＝WN‑1+WN(180°)；

[0037] ⑥令W1≈W1(180°)，由上述关系式可以得到，WN‑1＝(PN‑1+QN‑2‑O1)/2，W1＝O1‑QN‑2+WN‑1, 同理可以推导得到Wi＝Qi‑1‑QN‑2+WN‑1，其中i＝2,3…(N‑2)，WN＝(QN‑2‑WN‑1)180°,其中 (QN‑2‑
WN‑1)180°表示将(QN‑2‑WN‑1)的面形数据旋转180°得到的结果，最后得到N组代表待测凹轴锥
镜5不同径向位置处的环带面形数据Wi，其中i＝1,2…N，完成待测凹轴锥镜5全口径的面形
测量。

[0038] 上述实施例的优点在于面形测量系统具有通用性，可以在不加入其他辅助光学元件的情况下测量不同口径、不同锥角的高反射率凹轴锥镜，测量系统简单，成本低。