專利名稱：光學玻璃均勻性測試裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及光學玻璃，特別是一種光學玻璃均勻性測試裝置，尤其適用于 大尺寸高精度光學玻璃材料的均勻性測試。
技術背景近年來用于激光約束聚變的大能量、高功率激光裝置發展迅猛，如美國的NIF 和中國的"神光"，這些激光裝置需要大量的大尺寸(對角線0.5 lm)平面類透射 激光光學元件。激光系統對這類光學元件的透射波面誤差的要求一般在0.25 0.1 入(P—V值)。要加工出精度如此高的光學元件， 一方面對材料的光學均勻性提出 要求非常高，因為厚度為40mm的玻璃材料，局部折射率10—6量級的變化，其單次透 射光波引起的畸變就達到0. 1 A (n取1.53, A取0.633pm);另一方面在玻璃的均 勻性確定的情況下，假如能夠測量出均勻性的分布情況就可以在光學加工中采取加 工補償的辦法獲得整個透射波面滿足要求的光學元件，這在大尺寸激光平面光學元 件的加工中是尤為重要的。郭培基，余景池等人研制了采用激光干涉儀的高精度光學玻璃光學均勻性測量 儀(《激光雜志》2004年第25巻第3期)。該光學玻璃的均勻性測試裝置示意圖見 圖l。它是通過四步測量方法得到被測樣品均勻性的絕對測量值，見圖2。在已知的如圖1和圖2所示的光學玻璃均勻性測試裝置和測試方法中:由激光 器1發射的激光束經消相干和照明整形等環節，經分束器2，再經擴束系統3擴束 至工件所需的光束口徑，之后平行光束經過標準平面鏡4，經標準平面鏡4后表面 反射的一路光束返回，另一路光束繼續通過被測工件5到達后反射鏡6之后返回， 兩路光束先后通過分束器2再經成像物鏡7在CCD8的像面上產生干涉條紋。干涉條 紋通過圖像采集在計算機9系統中進行分析計算。圖1所描繪測試裝置所采集的干 涉圖不僅包含了被測工件均勻性的信息，而且包括了系統的誤差、前后標準面誤差 和工件本身的前后表面的誤差。圖2中步驟一，標準平面鏡4-l的后標準面反射參 考波與被測工件的前表面5-1反射波相干成像數據采集為M"x， y);步驟二，標準 平面鏡的后標準面4-1反射參考波與被測工件的后表面5-2反射波相干成像數據采集為M2(x， y);步驟三，標準平面鏡的后標準面4-1反射參考波與后反射鏡面6-1 反射后再經過被測工件的反射波相干成像數據采集為M3(x， y);步驟四，標準平面 鏡的后標準面4-1反射參考波直接與后反射鏡面6-1反射被相干成像數據采集為 M4(x， y);通過圖2所示的四步測量法可以解出被測工件的折射率均勻性的絕對數 據△ w(x，jv)= (("o-l) (M";c，力-iV/2(x,力)+"0 (M3(;c，力-Mt(;c,力)} /2 f (光學玻璃光學均勻性的絕對測量技術，《激光雜志》2003年第24巻第3期)。上述方法雖然是一種絕對的測量方法，但是需要通過上述四個步驟去除系統引 入的誤差，每次測量都需要得到一定精度的干涉條紋，不然引入誤差量會很大。而 且，所述的四步測量是在不同的時間段完成，由于時間差引入的空氣擾動和氣流造 成的誤差不能夠剔除掉。被測工件仍然需要加工到一定的面形精度。發明內容為了更加精確和方便的測量光學玻璃的均勻性，本實用新型的目的在于提供一 種光學玻璃均勻性測試裝置，該裝置應能直接測量表面不進行預加工的光學玻璃的 均勻性。本實用新型的技術解決方案是一種光學玻璃均勻性的測試裝置，其特點是包括干涉儀和數據采集系統和測 試系統干涉儀和數據采集系統，由激光器、分束器、擴束物鏡、成像物鏡、CCD相 機和圖像采集處理器組成，其位置關系是激光器發出的激光透過分束器經擴束物 鏡擴束準直后照射置于液槽中的待測光學玻璃，該擴束物鏡又收集由所述的液槽方 向的反射光束經分束器反射后，由成像物鏡成像被所述的CCD相機攝像并傳送給 圖像采集處理器；待測光學玻璃調配系統，包括一液槽，在該液槽內依次置放托板、花崗巖平板、 升降網和待測光學玻璃，該液槽設有排液閥和注液閥，其內裝有折射率匹配液，該 液槽通過管道、注液閥與盛有折射率匹配液的液罐相通，所述的液槽置于傾斜調整 機構上，該傾斜調整機構置于防振臺上。所述的干涉儀和數據采集系統采用固定立式安裝于相對獨立的空間，所述的圖 像采集處理器獨立于一測試房間。所述的擴束物鏡的前表面與所述的液槽內的折射率匹配液最高液面的距離為30 80cm。所述的花崗巖平板上表面的面形的P—V值為入/10，并鍍制增反模，該增反膜 的反射率為40% 70%，入為激光器的激光波長。所述的托板是開有多條同心圓槽的板。所述的折射率匹配液用a溴代鈉和火油配置，與待測光學玻璃的折射率相同。利用上述光學玻璃均勻性的測試裝置機進行玻璃均勻性的測試方法，包括下列 步驟① 打開注液閥將配置好的折射率匹配液從液罐緩緩的注入液槽內，注入的液體 量要能夠浸沒待測光學玻璃，在地球的重力下液面將保持平穩和水平，該液面的面 形標記為」(x， y)，花崗巖平板的標準反射面的面形標記為B(x, y)，開機，激光干 涉儀的CCD相機和圖像采集處理器采集由液面反射的波前和通過液面并由花崗巖 平板的標準反射面反射的波前的相干成像，這時檢測到的波相差標記為/Z/(x, y):<formula>formula see original document page 5</formula>式中no是待測光學玻璃的折射率，x和y是待測光學玻璃的位置坐標；② 利用升降網將待測光學玻璃緩緩的放入液槽內并使待測光學玻璃完全被液槽 內的折射率匹配液浸入，激光干涉儀的CCD相機和圖像采集處理器采集由液面反射 的波前與透過液面和待測光學玻璃后再由花崗巖平板的標準反射面反射的波前相干 成像，這時檢測的波相差標記為H2(x， y):<formula>formula see original document page 5</formula>(D圖像采集處理器進行數據處理，由(2)式減去(1)式，得到待測光學玻璃 的均勻性圖像<formula>formula see original document page 5</formula>從上述可以看出，待測光學玻璃的均勻性圖像不僅不包含待測光學玻璃的面形 誤差，也不包含系統和裝置中花崗巖平板的標準反射面的面形誤差，因此本實用新 型在原理上也是一種玻璃光學均勻性的絕對測量方法。所述的液槽內的折射率匹配液滿足lU+h2-h,其中h為未放入待測光學玻璃時，折射率匹配液液面與花崗巖平板上表面的距離；放入待測光學玻璃后，&為待測光學玻璃的底面和花崗巖平板的標準反射面 之間距，h2為待測光學玻璃頂面與折射率匹配液液面之間距。因為折射率匹配液能夠很好的與待測光學玻璃表面親和，所以即使不進行精密 拋光的"毛面"玻璃也可以檢測。通過傾斜調制機構可以在檢測時調整像面上的干 涉條紋的疏密，以獲得最佳精度。本實用新型光學玻璃均勻性測試裝置，包括干涉儀和數據采集系統和待測光學 玻璃調配系統。本實用新型主要改進是干涉儀和數據采集系統采用菲索型商用激 光平面干涉儀或剪切干涉儀級其附帶軟件并進行擴束。待測光學玻璃調配系統采 用花崗巖材料加工標準反射鏡(熱膨脹系數低、耐腐蝕)，采用與待測光學玻璃的折 射率匹配液。花崗巖平板放置在帶傾斜調整機構的液槽中，液槽可以循環注液并控 制液面高度。采用網實現被測工件的升降。因此本實用新型的技術效果是1、 通過兩個測試步驟就能實現均勻性的絕對測量；2、 不需要對待測玻璃進行預加工就可以直接檢測均勻性；3、 降低了對標準反射面的質量要求；4、 使用折射率匹配液的液面作為參考反射面，省掉干涉儀測試的前標準平板， 節約制造成本；5、 減少空氣分布不均和擾動的影響。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明，但不應以此限制本實用新 型的保護范圍。圖1是已有的光學玻璃的均勻性測試儀原理示意圖。圖2是圖1光學玻璃均勻性測試儀的測試步驟示意圖。圖3是本實用新型光學玻璃均勻性測試裝置示意圖。圖4是本實用新型光學玻璃均勻性測試裝置的測試步驟示意圖。圖5是圖3中托板展開示意圖。圖6是圖3中升降網的展開示意圖。
具體實施方式
先請參閱圖3，圖3是本實用新型光學玻璃均勻性測試裝置示意圖。由圖可見，本實用新型光學玻璃均勻性的測試裝置，包括干涉儀和數據采集系統31，由激光器31-1、分束器31-2、擴束物鏡31-3、成 像物鏡31-4、 CCD相機31-5和圖像采集處理器31-6組成，其位置關系是激光器31- 1發出的激光透過分束器31-2經擴束物鏡31-3擴束準直后照射置于液槽32-1中 的待測光學玻璃33，該擴束物鏡31-3又收集由所述的液槽32-1方向的反射光束經 分束器31-2反射后，由成像物鏡31-4成像被所述的CCD相機31-5攝像并傳送給 圖像采集處理器31-6;待測光學玻璃調配系統32，包括一液槽32-l，在該液槽32-l內依次置放托板32- 9、花崗巖平板32-2、升降網32-6和待測光學玻璃33，該液槽32-1設有排液閥 32-8和注液閥32-7，其內裝有折射率匹配液32-5，該液槽32-1通過管道、注液閥 32-7與盛有折射率匹配液的液罐32-4相通，所述的液槽32-1置于傾斜調整機構32-3 上，該傾斜調整機構32-3置于防振臺34上。所述的干涉儀和數據采集系統31采用固定立式安裝于相對獨立的空間，以提高 系統穩定性。所述的圖像采集處理器31-6獨立于一測試房間，避免人體在測試過程 中引入的熱源和氣流。所述的待測光學玻璃調配系統32靠防振臺34和在測試房間 內加防振地基來保持穩定。所述的擴束物鏡31-3的前表面與所述的液槽32-1內的折射率匹配液32-5最高 液面的距離為30 80cm，距離太長測試過程受氣流的影響就越嚴重。所述的花崗巖平板32-2上表面的面形的P—V值為入/10，并鍍制增反模，該增 反膜的反射率為40% 70%，入為激光器31-1的激光波長。花崗巖平板32-2放置在托板32-9上可以減小花崗巖平板的形變量。所述的托板 32-9是開有多條同心圓槽的板(見圖5)。通過液罐32-5和注液閥32-7、排液閥32-8進行注液和排液并控制折射率匹配 液液面高度，在注液過程中要緩緩注入避免出現氣泡。所述的折射率匹配液32-5用a溴代鈉和火油配制，與待測光學玻璃的折射率相 同。在測量統一折射率的工件時，折射率匹配液在一定的檢測周期內可以循環使用。待測光學玻璃33靠升降網32-6 (圖6)實現升降并與花崗巖平板上表面保持 一定的間隙。升降網的網格不要過密，否則會影響光束的透過率。 下面是一個具體測試實施例，參見圖4:步驟一，注入一定量的折射率匹配液于液槽內，液面高出花崗巖平板上表面約 / =20mm (待測光學玻璃的厚度40mm左右)。待折射率匹配液液面穩定后打開激光 器31-1和電源，經整形和擴束的激光束到達折射率匹配液32-5液面后一部分光返回 (圖4中光束1),剩下的光透過液體到達花崗巖平板32-2上表面被反射(圖4中光 束2)，上述兩束光相干成像于CCD相機31 — 5上，通過微調傾斜調整機構32-3可 以改變標準反射面與液面的夾角，從而改變干涉條紋的疏密。由圖像采集與處理系 統31-6采集并記錄保存，此時便記錄了波相差信息/Z/(x， y)。步驟二，放入待測光學玻璃33，再加注折射率匹配液，使液面上升并完全浸沒 待測光學玻璃33，而且待測光學玻璃33底面和花崗巖平板32-2上表面之間的間距 &，待測光學玻璃33頂面與折射率匹配液液面之間的間距&，要滿足^+^=^(使 液后條件相同以減小測量誤差)。待折射率匹配液完全和工件表面親和并穩定后開始 第二次測試。光束到達折射率匹配液液面仍然由匹配液折射率匹配液32-5液面反射 一部分光(圖4中光束T ),剩下的光將透過折射率匹配液和待測光學玻璃33 (由 于折射率相同，光束在待測光學玻璃33與折射率匹配液液體的分界面上不產生反射 和折射)到達花崗石平板32-2上表面并被反射(圖4中光束2')。光束1'和光束 2'發生相干成像于CCD上，由圖像采集與處理器31-6采集并記錄保存，此時記錄 了波相差信息/6(x， y)。步驟三，圖像采集處理器31-6進行數據處理，由(2)式減去(1)式，得到待 測光學玻璃(33)的均勻性圖像A"(;c，力- {/6(x， y)—///(x， y)}/2"精度和誤差分析實際測量中雖然光束l和光束r同樣表征的是匹配液32-5 液面的反射波前A(x， y)，在平穩靜止狀態下為地球的曲率半徑，約相當于0.03X 的面形誤差，(入-0.6328um)。雖然該誤差也不包含在測試誤差內，但是，兩次測 量時實際上的氣流和環境狀態不同，該影響疊加在最終的測試誤差中，這在測量時 可引入不確定誤差，因此，在測試中兩個步驟的測量應保持環境條件的一致。影響 精度的主要原因還包括干涉儀系統的隨機誤差，用干涉儀隨機誤差一般小于， 因此對于厚為40mm厚度左右的樣品，檢測精度可以達到4x10—7。
權利要求1、一種光學玻璃均勻性的測試裝置，其特征在于包括干涉儀和數據采集系統(31)，由激光器(31-1)、分束器(31-2)、擴束物鏡(31-3)、成像物鏡(31-4)、CCD相機(31-5)和圖像采集處理器(31-6)組成，其位置關系是激光器(31-1)發出的激光透過分束器(31-2)經擴束物鏡(31-3)擴束準直后照射置于液槽(32-1)中的待測光學玻璃(33)，該擴束物鏡(31-3)又收集由所述的液槽(32-1)方向的反射光束經分束器(31-2)反射后，由成像物鏡(31-4)成像被所述的CCD相機(31-5)攝像并傳送給圖像采集處理器(31-6)；待測光學玻璃調配系統(32)，包括一液槽(32-1)，在該液槽(32-1)內依次置放托板(32-9)、花崗巖平板(32-2)、升降網(32-6)和待測光學玻璃(33)，該液槽(32-1)設有排液閥(32-8)和注液閥(32-7)，其內裝有折射率匹配液(32-5)，該液槽(32-1)通過管道、注液閥(32-7)與盛有折射率匹配液(32-5)的液罐(32-4)相通，所述的液槽(32-1)置于傾斜調整機構(32-3)上，該傾斜調整機構(32-3)置于防振工作臺(34)上。
2、 根據權利要求1所述的光學玻璃均勻性的測試裝置，其特征在于所述的干 涉儀和數據采集系統(31)采用固定立式安裝于相對獨立的空間，所述的圖像采集 處理器(31-6)獨立于一測試房間。
3、 根據權利要求1所述的光學玻璃均勻性的測試裝置，其特征在于所述的擴束 物鏡(31-3)的前表面與所述的液槽(32-1)內的折射率匹配液(32-5)最高液面的 距離為30 80cm。
4、 根據權利要求1所述的光學玻璃均勻性的測試裝置，其特征在于所述的花崗 巖平板(32-2)上表面的面形的P—V值為入/10，并鍍制增反模，該增反膜的反射 率為40% 70%， X為激光器(31-1)的激光波長。
5、 根據權利要求1所述的光學玻璃均勻性的測試裝置，其特征在于所述的托板 (32-9)是開有多條同心圓槽的板。
6、 根據權利要求1至5任一項所述的光學玻璃均勻性的測試裝置，其特征在于 所述的折射率匹配液用a溴代鈉和火油配置，與待測光學玻璃的折射率相同。
專利摘要一種光學玻璃均勻性測試裝置，該裝置包括干涉儀數據采集系統和待測光學玻璃調配系統，干涉儀和數據采集系統，由激光器、分束器、擴束物鏡、成像物鏡、CCD相機和圖像采集處理器組成，待測光學玻璃調配系統，包括一液槽，在該液槽內依次置放托板、花崗巖平板、升降網和待測光學玻璃，該液槽設有排液閥和注液閥，其內裝有折射率匹配液，該液槽通過管道、注液閥與盛有折射率匹配液的液罐相通，所述的液槽置于傾斜調整機構上，該傾斜調整機構置于防振臺上。本實用新型能直接測量表面不進行預加工的光學玻璃的均勻性，是光學玻璃折射率均勻性的絕對測量，該測試裝置可以達到4×10<sup>-7</sup>精度。
文檔編號G01N21/88GK201173901SQ20082005637
公開日2008年12月31日 申請日期2008年3月19日 優先權日2008年3月19日
發明者張寶安, 朱寶鈐 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所