基于白光干涉的光学玻璃均匀性检测方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于白光干涉的光学玻璃均匀性检测方法及装置。装置包括白光干涉仪和两个双频激光回馈位移测量系统，并且两个双频激光回馈位移测量系统和白光干涉仪为连动结构，将两个双频激光回馈位移测量系统和白光干涉仪结合为一体式结构进行移动扫描。检测方法为：标定白光干涉仪，得到光程差与条纹偏移量的比例系数；获取待测光学玻璃引入的光程差变化量，并使用位移测量系统测得待测光学玻璃同一被测位置的厚度偏差；根据白光干涉仪获得的光程差和位移测量系统获得的厚度偏差，确定待测光学玻璃的折射率偏差；扫描整个待测光学玻璃，完成待测光学玻璃的均匀性检测。本发明对光学玻璃均匀性检测的精度高、成本低，且测试过程简单方便。

说明书

技术领域

本发明属于光干涉计量技术领域，特别是一种基于白光干涉的光学玻璃均匀性检测 方法及装置。

背景技术

光学玻璃的均匀性是指材料内部的折射率不一致性，能够影响光学系统的成像质 量，是衡量光学玻璃加工质量的重要指标之一。目前主要采用干涉仪测量光学玻璃均匀 性，所不同的是消除光学玻璃面形误差的手段不同：

一种方法是利用贴置板提高测量精度。将一对高精度平行平板作为贴置板，结合折 射率液帖于被测光学玻璃两侧以消除被测玻璃的面形对均匀性测量造成的影响。但由于 大尺寸贴置板加工成本过高，且装卸难度大，不适用于较大口径平面玻璃均匀性检测， 一般使用小尺寸贴置板分区域拼接测量，但使用这种方法测量过程中需要不断移动贴置 板位置以测量玻璃不同区域，导致测量步骤繁琐，精度难以保证。

另一种方法是绝对测量法。将光学玻璃放置在参考镜之间，测得包含均匀性信息、 光学玻璃面形信息以及参考镜面形信息的波面数据，再单独测量参考镜面形以及光学玻 璃面形，结合几次干涉测量得到的波面数据消除参考镜面形以及光学玻璃面形对均匀性 测量造成的影响。该方法需要使用高精度的参考镜辅助测量，尤其在测量大口径光学玻 璃时必须使用配有大口径参考镜的大口径干涉仪，而大口径干涉仪制造成本很高，导致 这种测量方法成本过高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精度高、成本低的基于白光干涉的光学玻璃均匀性检测 方法及装置。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于白光干涉的光学玻璃均匀性检测方法，使 用白光干涉仪测量待测光学玻璃引入的光程差变化量，并采用双频激光回馈位移测量系 统测量待测光学玻璃的厚度偏差，结合这两个测量数据检测待测光学玻璃的均匀性，具 体步骤如下：

步骤1、标定白光干涉仪：使用单色LED和两片相同的补偿镜对白光干涉仪进行标 定，得到光程差与条纹偏移量的比例系数C，将单色LED换成白光光源，将中心条纹 调节到刻度零位x₀；

步骤2、获取待测光学玻璃引入的光程差变化量：将白光干涉仪测试光路中的补偿 镜替换为待测光学玻璃后，根据白光干涉仪中心条纹的偏移量Δx得到待测光学玻璃被 测位置引入的光程差Λ，并使用双频激光回馈位移测量系统测得待测光学玻璃同一被测 位置的厚度偏差Δd；

步骤3、确定待测光学玻璃被测位置的折射率偏差：通过同一被测位置白光干涉仪 获得的光程差Λ和位移测量系统获得的厚度偏差Δd，确定待测光学玻璃该被测位置的 折射率偏差Δn_e；

步骤4、改变待测光学玻璃的被测位置，重复步骤2～3，直至扫描整个待测光学玻 璃，完成待测光学玻璃的均匀性检测。

一种基于白光干涉的光学玻璃均匀性检测装置，包括白光干涉仪和两个双频激光回 馈位移测量系统；所述白光干涉仪采用迈克尔逊干涉仪结构，包括沿光路方向依次共轴 设置的光源、准直物镜、分光镜、第一补偿镜、第一反射镜、待测光学玻璃、第二反射 镜、成像物镜、CCD、信号处理系统，其中光源位于准直物镜的焦点位置，第一补偿镜、 第一反射镜、待测光学玻璃、第二反射镜分别与各自的光轴正交，信号处理系统与CCD9 相连，所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高；所 述两个双频激光回馈位移测量系统同轴相向设置于待测光学玻璃的两侧，且两个双频激 光回馈位移测量系统的发射光均垂直入射于待测光学玻璃表面。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）干涉仪采用短相干的白光为光源，可 以有效减少光路系统中其他表面反射光的干扰；（2）不需要制造高精度的贴置板或较大 口径的高精度参考镜，降低了测试需求和测试成本；（3）测试过程简单，调整方便，对 环境的要求较低，使测试更容易实现。

附图说明

图1是本发明待测光学玻璃的示意图，其中（a）为圆形的待测光学玻璃，（b）为 矩形的待测光学玻璃。

图2是本发明基于白光干涉的光学玻璃均匀性检测装置结构示意图。

图3是本发明基于白光干涉的光学玻璃均匀性检测装置中白光干涉仪的原理图。

图4是本发明双频激光回馈位移测量系统测量待测光学玻璃局部厚度偏差示意图。

图5是图3中白光干涉仪的干涉光路示意图。

图6是标定干涉仪过程中CCD采集的干涉图，其中（a）为采用单色LED时的干 涉图，（b）为采用白光光源时的干涉图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的原理如下：光学玻璃均匀性检测装置中光程差的变化量是光学玻璃均匀性 以及局部厚度的综合反映，满足以下条件：

Λ＝(n_e+Δn_e)(d+Δd)

式中，Λ为光程差，d为待测光学玻璃的参考厚度，n_e为白光光源通过待测光学玻 璃的折射率，Δd为某一位置待测光学玻璃前后表面局部厚度偏差，Δn_e为该位置的折射 率偏差。因此，已知待测光学玻璃的参考厚度d和折射率n_e，在确定光程差Λ的同时测 定局部厚度偏差Δd，即可实现待测光学玻璃的均匀性测量。

本发明基于白光干涉的光学玻璃均匀性检测方法，使用白光干涉仪测量待测光学玻 璃引入的光程差变化量，并采用双频激光回馈位移测量系统测量待测光学玻璃的厚度偏 差，结合这两个测量数据检测待测光学玻璃的均匀性，具体步骤如下：

步骤1、标定白光干涉仪：使用单色LED和两片相同的补偿镜对白光干涉仪进行标 定，得到光程差与条纹偏移量的比例系数C，将单色LED换成白光光源，将中心条纹 调节到刻度零位x₀；

步骤2、获取待测光学玻璃引入的光程差变化量：将白光干涉仪测试光路中的补偿 镜替换为待测光学玻璃后，根据白光干涉仪中心条纹的偏移量Δx得到待测光学玻璃被 测位置引入的光程差Λ，并使用双频激光回馈位移测量系统测得待测光学玻璃同一被测 位置的厚度偏差Δd；光程差Λ具体公式如下：

Λ＝Δx·C

其中，C是步骤1标定得到的光程差与条纹偏移量的比例系数，Δx为步骤2白光 干涉仪中心条纹位置x₁相对于刻度零位x₀的偏移量，即Δx＝x₁-x₀；

步骤3、确定待测光学玻璃被测位置的折射率偏差：通过同一被测位置白光干涉仪 获得的光程差Λ和位移测量系统获得的厚度偏差Δd，确定待测光学玻璃该被测位置的 折射率偏差Δn_e，公式如下：

${\mathrm{\Delta n}}_e=\frac{\Lambda }{d+\mathrm{\Delta d}}-n_e$

其中，d为待测光学玻璃的参考厚度，n_e为白光光源通过待测光学玻璃的折射率。

步骤4、改变待测光学玻璃的被测位置，重复步骤2～3，直至扫描整个待测光学玻 璃，完成待测光学玻璃的均匀性检测。

结合图1，待测光学玻璃是一块圆形或者矩形的光学玻璃平板，经过粗磨、精磨， 它的表面已经接近平面。

结合图2，本发明基于白光干涉的光学玻璃均匀性检测装置，包括白光干涉仪和两 个双频激光回馈位移测量系统，并且两个双频激光回馈位移测量系统和白光干涉仪为连 动结构，将两个双频激光回馈位移测量系统和白光干涉仪结合为一体式结构进行移动扫 描。结合图3，所述白光干涉仪采用迈克尔逊干涉仪结构，包括沿光路方向依次共轴设 置的光源1、准直物镜2、分光镜3、第一补偿镜4、第一反射镜5、待测光学玻璃6、 第二反射镜7、成像物镜8、CCD9、信号处理系统10，其中光源1位于准直物镜2的 焦点位置，第一补偿镜4、第一反射镜5、待测光学玻璃6、第二反射镜7分别与各自的 光轴正交，信号处理系统10与CCD9相连，所有光学元件相对于基底同轴等高，即相 对于光学平台或仪器底座同轴等高；结合图4，所述两个双频激光回馈位移测量系统同 轴相向设置于待测光学玻璃6的两侧，且两个双频激光回馈位移测量系统的发射光均垂 直入射于待测光学玻璃6表面。图中的被测玻璃平板即为待测光学玻璃6。

结合图5，所述白光干涉仪的光路走向为：从光源1出射的白光经过准直物镜2， 以平行光的形式入射到分光镜3；分光镜3把光路分成互相垂直的两束光路：入射到第 一补偿镜4后经第一反射镜5反射回到分光镜3的一路光称为参考光路，入射到待测光 学玻璃6后经第二反射镜7反射回到分光镜3的一路光称为测试光路；由分光镜3反射 的测试光和由分光镜3透射的参考光经成像物镜8汇聚在CCD9的靶面上并发生干涉。 在测试时，所述的第一反射镜5与其光轴正交面呈角度θ设置，其中θ满足下式：

$\theta ={\tan }^{-1}\frac{n{\lambda }_e}{2D}$

式中，n为整个待测光学玻璃表面的干涉条纹数且n=5～10，λ_e为白光光源的等效 波长，D为待测光学玻璃的直径或者宽度。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本发明结合白光干涉法和位移传感器测量法扫描检测图1所示玻璃平板均匀性的方 法，包括以下步骤：

步骤1：首先对白光干涉仪进行标定。将各仪器按照图2所示安装并调整就位后， 使用单色LED作为干涉仪光源，其波长为λ，在图2中被测玻璃平板的位置放入一块标 准补偿镜进行标定；如图5所示，调整标准补偿镜和第一补偿镜4在光路中的前后位置， 使反射光r₁与r₂’/r₃’、r₂与r₁’/r₂’/r₃’、r₃与r₁’/r₂’/r₃’的光程差都不为零，则r₁与r₂’/r₃’、 r₂与r₁’/r₂’/r₃’、r₃与r₁’/r₂’/r₃’都不会发生干涉，此时在CCD中获得r₁与r₁’的干涉图和 刻度读数，如图6(a)所示。在刻度盘上读出在ΔL长度范围内有N个条纹，则求出光程 差Λ与条纹偏移量Δx的比例系数：

$C=\frac{\mathrm{N\lambda }}{\mathrm{\Delta L}}$

更换白光光源，在CCD中获得新的干涉图，如图6(b)所示，此时从监视器上的刻 度读出中心条纹位置即刻度零位x₀。

步骤2：将测试光路中的标准补偿镜替换为待测光学玻璃作为被测玻璃平板，干涉 条纹中心偏离起始点位置，读出此时中心条纹的位置x₁，条纹偏移量Δx＝x₁-x₀，则光 程差Λ为：

Λ＝Δx·C

同时，使用双频激光回馈位移测量系统获得同一位置待测光学玻璃前后表面局部厚 度偏差Δd：结合图4，每一个双频激光回馈位移测量系统均使用两个探测器，分别探测 两个频率激光的光强，其光强大小由内腔激光和外腔激光干涉叠加决定。其发出的相正 交的双频激光经被测玻璃平板表面反射，返回激光器内部，从而建立了内外两个谐振腔， 利用光回馈效应将位移变化转化为光强变化。被测目标每移动半个波长对应光强变化一 个周期。它使用非接触测量方法，能精确快速的获得被测点的径向位移即被测玻璃平板 的局部厚度偏差，精度优于20nm。

步骤3：确定待测光学玻璃被测位置的折射率偏差：通过同一被测位置白光干涉仪 获得的光程差Λ和位移测量系统获得的厚度偏差Δd，确定待测光学玻璃该被测位置的 折射率偏差Δn_e，公式如下：

${\mathrm{\Delta n}}_e=\frac{\Lambda }{d+\mathrm{\Delta d}}-n_e$

其中，d为待测光学玻璃的参考厚度，n_e为白光光源通过待测光学玻璃的折射率。

步骤4：扫描臂带动整个系统扫描，改变待测光学玻璃的被测位置，扫描过程中实 时采样测量，不断重复步骤2和步骤3，直至整个测量结束，这样就获得了平行平板玻 璃所有被测点的折射率偏差，从而获得玻璃均匀性信息。

综上所述，本发明基于白光干涉的光学玻璃均匀性检测方法及装置，其中干涉仪采 用短相干的白光为光源，可以有效减少光路系统中其他表面反射光的干扰；并且不需要 制造高精度的贴置板或较大口径的高精度参考镜，降低了测试需求和测试成本；测试过 程简单，调整方便，对环境的要求较低，使测试更容易实现。