大直径平凸透镜面形的阴影检验法

光学检测中刀口仪在对球面光学元件的检测一般局限于对凹反射镜的面形及曲率进行检验, 对于凸透镜的面形检验一般利用光学样板进行判定, 但光学零件样板的最大直径为130mm, 对于直径在140mm以上的平凸透镜进行检验有一定局限性降低了检验精度, 如图1所示。其次用样板直接接触元件表面容易对光学元件表面造成破坏, 此时如果借助于一些大型的光学检测仪器, 例如zygo干涉仪, 利用此类大型仪器的优势在于检测的结果精密, 光学元件的检测结果可以量化, 但是由于zygo干涉仪的价格昂贵, 体积较为庞大, 且对周围的检测环境要求较高, 种种因素大幅提高光学检测的成本, 在这种情况之下我们提出利用便于携带、价格低廉的刀口仪对凸透镜反射面面形与元件内部材料均匀性进行的检测。本文基于以上几点对用刀仪对凸透镜的内反射检验进行了详细阐述。

2 求解加工和检测初始参数

本文以一个曲率半径为2000mm直径为260mm中心厚度为10的平凸透镜为例, 采用K9材料, 用HeNe光波段进行检测。检测图形如下:

3检验方法

由于内反射检验的检验光线透过光学元件内部这就存在光学元件内外折率不一的问题, 则首先需通过计算确定刀口仪摆放的位置。用传统的光学计算手段计算需要较长时间且数据较多刀口仪放置的精确位置不好控制, 我们可以直接利用ZEMAX进行光路模拟, 优化后直接确定刀口仪的放置。

如图所示光线从刀口仪发出后通过凸透镜内部折射后又由光学元件的凸面反射回刀口仪的观测点。

了解了光路走向后, 用ZEMAX模拟并优化得到计算结果。

计算结果清晰显示刀口仪的光原点既检验点在距离光学元件凸面1313.665454mm的位置处。

经过以上的计算可以掌握刀口仪的对凸透镜进行检验的一些基本数据。

利用刀口仪进行内反射检验前, 首先要确定平凸透镜的平面面形达到较高精度否则会对检验结果造成干扰。用刀口仪检验时应当先通过调焦螺钉和调节灯泡的位置把光束调节均匀, 使从星点孔射出的光束投射在纸屏上成一均匀的圆斑时, 可以确定光束基本调节均匀。使用狭缝时, 先把灯丝象调节的光栏片, 用白纸屏观察它是否平行于狭缝, 并通过转动灯泡使它与狭缝平行, 然后把灯丝象调节在狭缝处。

从灯泡发出的光线经聚光镜会聚后投射在刀片上, 经刀片反射后在小孔或狭缝处射出光线, 经过凸透镜反射回来, 又会聚在刀片的刀口处。在刀口处用肉眼直接观察可看见一个有色散光斑, 由于色散严重影响观察效果, 此时在刀口仪前方加一块单色玻璃 (本文中以红色玻璃为例) , 此时视野里呈现出一块明暗相间的红色光斑。

3 检验结果

当刀口仪恰好切在计算出的位置时, 会出现如下现象。

(1) 当刀口自右向左切割光束时 (我国刀口仪普遍自右向左切割) , 红黑交界处, 相应镜面上有高或低的顶点 (与球心在刀口的球面波相比较) , 形成高带。

(2) 当光束由凸面反射时, 由于是内反射检验, 刀口切割的是经透镜会聚后的光束, 此时对于高低点的判断原则与利用刀口仪对凹面镜镜型反射检验的判断原则是完全相反的即镜面右黑左红的交界处为高, 右红左黑处交界处为低。

(3) 透射检验的阴影图除反映光学元件表面加工情况外还可进一步反映玻璃的材料的内部均匀性。

根据以上计算结果进行实际操作检验, 使用刀口仪的时特别值得注意的是由于透射会产生色散需在刀口仪的观测处加一块单色玻璃 (ZEMAX中选定的计算波长应与此单色光源波长一致) , 这样可以消除色散给观测带来干扰有助于提高检验精度。

刀口仪检验的像质评价如图3~6所示。图3给出了点阵图星点直径在40μm以下;图4给出了系统的波前像差, 图5给出了传递函数图。

由像质评价图可见, 利用刀口仪对凸透镜进行透射检验精度较高, 光线完全可自准回来, 从而可以用刀口仪对凸透镜进行透射检验。

4 结语

对于凸透镜的检验, 本文提出了刀口仪阴影法检验凸透镜的方法, 阴影法检验凸透镜有如下优点。

(1) 所需设备简单, 不被检验面口径大小限制, 可直接检验凸透镜表面及光学材料内部均匀性。

(2) 检验精度高, 可发现小于λ/10的波面缺陷。

(3) 检验时刀口仪不需与镜面接触, 所以不会划伤镜面。这对保证镜面光洁度十分有利。

(4) 检验速度快, 刀口仪放好后, 进行切割立刻发现镜面缺陷及所在部位。

(5) 为提高检验精度, 可以用CCD接收阴影图。

摘要：本文分析了使用样板检测大口径平凸透镜的弊端, 细述了用刀口仪检测大直径凸面透镜的相关计算方法和操作过程, 并用实例加以证明。

关键词：平凸透镜,刀口仪检测,zemax,像质

参考文献

[1] 光学零件工艺手册编写组.光学零件工艺手册 (上) [M].国防工业出版社.