大直徑平凸透鏡面形的陰影檢驗(yàn)法

　　本文分析了使用樣板檢測(cè)大口徑平凸透鏡的弊端，細(xì)述了用刀口儀檢測(cè)大直徑凸面透鏡的相關(guān)計(jì)算方法和操作過(guò)程，并用實(shí)例加以證明。

　　光學(xué)檢測(cè)中刀口儀在對(duì)球面光學(xué)元件的檢測(cè)一般局限于對(duì)凹反射鏡的面形及曲率進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)于凸透鏡的面形檢驗(yàn)一般利用光學(xué)樣板進(jìn)行判定，但光學(xué)零件樣板的最大直徑為130mm，對(duì)于直徑在140mm以上的平凸透鏡進(jìn)行檢驗(yàn)有一定局限性降低了檢驗(yàn)精度，如圖1所示。其次用樣板直接接觸元件表面容易對(duì)光學(xué)元件表面造成破壞，此時(shí)如果借助于一些大型的光學(xué)檢測(cè)儀器，例如 zygo 干涉儀，利用此類大型儀器的優(yōu)勢(shì)在于檢測(cè)的結(jié)果精密，光學(xué)元件的檢測(cè)結(jié)果可以量化，但是由于zygo干涉儀的價(jià)格昂貴，體積較為龐大，且對(duì)周圍的檢測(cè)環(huán)境要求較高，種種因素大幅提高光學(xué)檢測(cè)的成本，在這種情況之下我們提出利用便于攜帶、價(jià)格低廉的刀口儀對(duì)凸透鏡反射面面形與元件內(nèi)部材料均勻性進(jìn)行的檢測(cè)。本文基于以上幾點(diǎn)對(duì)用刀儀對(duì)凸透鏡的內(nèi)反射檢驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

　　1 求解加工和檢測(cè)初始參數(shù)

　　本文以一個(gè)曲率半徑為 2000mm 直徑為260mm 中心厚度為 10 的平凸透鏡為例，采用K9 材料，用 HeNe 光波段進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)圖形如下：3 檢驗(yàn)方法由于內(nèi)反射檢驗(yàn)的檢驗(yàn)光線透過(guò)光學(xué)元件內(nèi)部這就存在光學(xué)元件內(nèi)外折率不一的問(wèn)題，則首先需通過(guò)計(jì)算確定刀口儀擺放的位置。用傳統(tǒng)的光學(xué)計(jì)算手段計(jì)算需要較長(zhǎng)時(shí)間且數(shù)據(jù)較多刀口儀放置的精確位置不好控制，我們可以直接利用 ZEMAX 進(jìn)行光路模擬，優(yōu)化后直接確定刀口儀的放置。

　　如圖所示光線從刀口儀發(fā)出后通過(guò)凸透鏡內(nèi)部折射后又由光學(xué)元件的凸面反射回刀口儀的觀測(cè)點(diǎn)。了解了光路走向后，用ZEMAX模擬并優(yōu)化得到計(jì)算結(jié)果。

　　計(jì)算結(jié)果清晰顯示刀口儀的光原點(diǎn)既檢驗(yàn)點(diǎn)在距離光學(xué)元件凸面 1313.665454mm 的位置處。經(jīng)過(guò)以上的計(jì)算可以掌握刀口儀的對(duì)凸透鏡進(jìn)行檢驗(yàn)的一些基本數(shù)據(jù)。利用刀口儀進(jìn)行內(nèi)反射檢驗(yàn)前，首先要確定平凸透鏡的平面面形達(dá)到較高精度否則會(huì)對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果造成干擾。用刀口儀檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)先通過(guò)調(diào)焦螺釘和調(diào)節(jié)燈泡的位置把光束調(diào)節(jié)均勻，使從星點(diǎn)孔射出的光束投射在紙屏上成一均勻的圓斑時(shí)，可以確定光束基本調(diào)節(jié)均勻。使用狹縫時(shí)，先把燈絲象調(diào)節(jié)的光欄片，用白紙屏觀察它是否平行于狹縫，并通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)燈泡使它與狹縫平行，然后把燈絲象調(diào)節(jié)在狹縫處。

　　從燈泡發(fā)出的光線經(jīng)聚光鏡會(huì)聚后投射在刀片上，經(jīng)刀片反射后在小孔或狹縫處射出光線，經(jīng)過(guò)凸透鏡反射回來(lái)，又會(huì)聚在刀片的刀口處。在刀口處用肉眼直接觀察可看見(jiàn)一個(gè)有色散光斑，由于色散嚴(yán)重影響觀察效果，此時(shí)在刀口儀前方加一塊單色玻璃(本文中以紅色玻璃為例)，此時(shí)視野里呈現(xiàn)出一塊明暗相間的紅色光斑。

　　2 檢驗(yàn)結(jié)果

　　當(dāng)?shù)犊趦x恰好切在計(jì)算出的位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)如下現(xiàn)象。

　　(1)當(dāng)?shù)犊谧杂蚁蜃笄懈罟馐鴷r(shí)(我國(guó)刀口儀普遍自右向左切割)，紅黑交界處，相應(yīng)鏡面上有高或低的頂點(diǎn)(與球心在刀口的球面波相比較)，形成高帶。

　　(2)當(dāng)光束由凸面反射時(shí)，由于是內(nèi)反射檢驗(yàn)，刀口切割的是經(jīng)透鏡會(huì)聚后的光束，此時(shí)對(duì)于高低點(diǎn)的判斷原則與利用刀口儀對(duì)凹面鏡鏡型反射檢驗(yàn)的判斷原則是完全相反的即鏡面右黑左紅的交界處為高，右紅左黑處交界處為低。

　　(3)透射檢驗(yàn)的陰影圖除反映光學(xué)元件

　　表面加工情況外還可進(jìn)一步反映玻璃的材料的內(nèi)部均勻性。

　　根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果進(jìn)行實(shí)際操作檢驗(yàn)，使用刀口儀的時(shí)特別值得注意的是由于透射會(huì)產(chǎn)生色散需在刀口儀的觀測(cè)處加一塊單色玻璃(ZEMAX中選定的計(jì)算波長(zhǎng)應(yīng)與此單色光源波長(zhǎng)一致)，這樣可以消除色散給觀測(cè)帶來(lái)干擾有助于提高檢驗(yàn)精度。

　　刀口儀檢驗(yàn)的像質(zhì)評(píng)價(jià)如圖 3～6 所示。

　　圖 4 給出了系統(tǒng)的波前像差，圖 5 給出了傳遞函數(shù)圖。

　　由像質(zhì)評(píng)價(jià)圖可見(jiàn)，利用刀口儀對(duì)凸透鏡進(jìn)行透射檢驗(yàn)精度較高，光線完全可自準(zhǔn)回來(lái)，從而可以用刀口儀對(duì)凸透鏡進(jìn)行透射檢驗(yàn)。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　對(duì)于凸透鏡的檢驗(yàn)，本文提出了刀口儀陰影法檢驗(yàn)凸透鏡的方法，陰影法檢驗(yàn)凸透鏡有如下優(yōu)點(diǎn)。

　　(1)所需設(shè)備簡(jiǎn)單，不被檢驗(yàn)面口徑大小限制，可直接檢驗(yàn)凸透鏡表面及光學(xué)材料內(nèi)部均勻性。

　　(2)檢驗(yàn)精度高，可發(fā)現(xiàn)小于λ /10 的波面缺陷。

　　(3)檢驗(yàn)時(shí)刀口儀不需與鏡面接觸，所以不會(huì)劃傷鏡面。這對(duì)保證鏡面光潔度十分有利 。

　　( 4 ) 檢驗(yàn)速度快，刀口儀放好后，進(jìn)行切割立刻發(fā)現(xiàn)鏡面缺陷及所在部位。

　　(5)為提高檢驗(yàn)精度，可以用 CCD 接收陰影圖。