大直徑平凸透鏡面形的陰影檢驗法

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

　　光學(xué)檢測中刀口儀在對球面光學(xué)元件的檢測一般局限于對凹反射鏡的面形及曲率進(jìn)行檢驗，對于凸透鏡的面形檢驗一般利用光學(xué)樣板進(jìn)行判定，但光學(xué)零件樣板的最大直徑為130mm，對于直徑在140mm以上的平凸透鏡進(jìn)行檢驗有一定局限性降低了檢驗精度，如圖1所示。其次用樣板直接接觸元件表面容易對光學(xué)元件表面造成破壞，此時如果借助于一些大型的光學(xué)檢測儀器，例如 zygo 干涉儀，利用此類大型儀器的優(yōu)勢在于檢測的結(jié)果精密，光學(xué)元件的檢測結(jié)果可以量化，但是由于zygo干涉儀的價格昂貴，體積較為龐大，且對周圍的檢測環(huán)境要求較高，種種因素大幅提高光學(xué)檢測的成本，在這種情況之下我們提出利用便于攜帶、價格低廉的刀口儀對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。本文基于以上幾點對用刀儀對凸透鏡的內(nèi)反射檢驗進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

　　1 求解加工和檢測初始參數(shù)

　　本文以一個曲率半徑為 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。檢測圖形如下：3 檢驗方法由于內(nèi)反射檢驗的檢驗光線透過光學(xué)元件內(nèi)部這就存在光學(xué)元件內(nèi)外折率不一的問題，則首先需通過計算確定刀口儀擺放的位置。用傳統(tǒng)的光學(xué)計算手段計算需要較長時間且數(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點。了解了光路走向后，用ZEMAX模擬并優(yōu)化得到計算結(jié)果。

　　計算結(jié)果清晰顯示刀口儀的光原點既檢驗點在距離光學(xué)元件凸面 1313.665454mm 的位置處。經(jīng)過以上的計算可以掌握刀口儀的對凸透鏡進(jìn)行檢驗的一些基本數(shù)據(jù)。利用刀口儀進(jìn)行內(nèi)反射檢驗前，首先要確定平凸透鏡的平面面形達(dá)到較高精度否則會對檢驗結(jié)果造成干擾。用刀口儀檢驗時應(yīng)當(dāng)先通過調(diào)焦螺釘和調(diào)節(jié)燈泡的位置把光束調(diào)節(jié)均勻，使從星點孔射出的光束投射在紙屏上成一均勻的圓斑時，可以確定光束基本調(diào)節(jié)均勻。使用狹縫時，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，并通過轉(zhuǎn)動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)過凸透鏡反射回來，又會聚在刀片的刀口處。在刀口處用肉眼直接觀察可看見一個有色散光斑，由于色散嚴(yán)重影響觀察效果，此時在刀口儀前方加一塊單色玻璃(本文中以紅色玻璃為例)，此時視野里呈現(xiàn)出一塊明暗相間的紅色光斑。

　　2 檢驗結(jié)果

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

　　(1)當(dāng)?shù)犊谧杂蚁蜃笄懈罟馐鴷r(我國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(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，由于是內(nèi)反射檢驗，刀口切割的是經(jīng)透鏡會聚后的光束，此時對于高低點的判斷原則與利用刀口儀對凹面鏡鏡型反射檢驗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)以上計算結(jié)果進(jìn)行實際操作檢驗，使用刀口儀的時特別值得注意的是由于透射會產(chǎn)生色散需在刀口儀的觀測處加一塊單色玻璃(ZEMAX中選定的計算波長應(yīng)與此單色光源波長一致)，這樣可以消除色散給觀測帶來干擾有助于提高檢驗精度。

　　刀口儀檢驗的像質(zhì)評價如圖 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)評價圖可見，利用刀口儀對凸透鏡進(jìn)行透射檢驗精度較高，光線完全可自準(zhǔn)回來，從而可以用刀口儀對凸透鏡進(jìn)行透射檢驗。

　　3 結(jié)語

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

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

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

　　(3)檢驗時刀口儀不需與鏡面接觸，所以不會劃傷鏡面。這對保證鏡面光潔度十分有利 。

　　( 4 ) 檢驗速度快，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)為提高檢驗精度，可以用 CCD 接收陰影圖。