一種光學非球面檢測準萬能補償鏡的製作方法

2023-05-26 11:07:31

專利名稱：一種光學非球面檢測準萬能補償鏡的製作方法
技術領域：
本發明屬於光學非球面檢測技術領域。
背景技術：
通過檢測光學非球面波像差來檢測其面形精度，在現有技術中，與本發明有關的檢測方法是幹涉圖法，所採用的檢測裝置包括幹涉儀、標準球面鏡、補償鏡三大部分，幹涉儀一般採用泰曼——格林幹涉儀，光源為氦氖雷射器，提供波長為632.8納米的雷射，經標準球面鏡、補償鏡出射後，由補償鏡產生的球差與被檢非球面的法向像差相補償，當補償精度滿足瑞利準則，即波像差小於十分之一波長時，所得到的檢測結果才準確地反映被檢非球面面形精度。在這樣的裝置中幹涉儀和標準球面鏡是通用儀器和部件，而補償鏡則是為檢測非球面而專門設計的光學部件。已知補償鏡由蘇聯普裡亞耶夫在科學出版社(中國)於1982年出版的一本名為《光學非球面檢驗》的書中作了介紹。其中一種稱為雙透鏡萬能補償鏡，見圖1所示，補償鏡1由兩個透鏡組成，透鏡2是一個具有相等球面半徑的彎月透鏡，透鏡3是一個雙凸透鏡，二者同軸安置，之間有空氣間隔。補償鏡1安放於光源與被檢非球面4之間，三者同軸。雷射經補償鏡1後由被檢非球面4反射。這種檢測裝置的檢測能力及效果一方面取決於補償鏡1本身的形狀、結構和光學參數，如補償鏡1由何種、幾個透鏡組成，排列順序與間隔距離dn值，每個透鏡各面的曲率半徑rn值，每個透鏡的厚度Dn值，補償鏡1厚度d值；另一方面取決於補償鏡1在檢測裝置中的位置，如補償鏡1至其前焦點O的距離-S0值，補償鏡1與被檢非球面4之間的距離d0值。通過上述因素的調整，補償鏡1可以適應不同種類非球面，如拋物面、雙曲面以及橢球面等二次迴轉曲面甚至高次曲面的檢測，還可以檢測近軸半徑r0值、離心率e值、口徑D值在一定範圍內變化的每種曲面，由於這一點，這種補償鏡的發明者稱其為萬能補償鏡。當檢測結果波像差ΔW小於十分之一波長，根據瑞利準則，該被檢非球面4符合使用要求。

發明內容
已知技術中的雙透鏡萬能補償鏡1中透鏡2厚度達141毫米，補償鏡總重量達5.655公斤，不易製造，不便於裝調和使用。並且，檢測範圍僅限於大近軸半徑r0非球面，r0值最低也在3440mm以上；而且對應每一個近軸半徑r0的離心率e值變化範圍很小，例如，雙曲面近軸半徑r0從14729.83mm到6160.949mm，其離心率e值均為1.4；再有，檢測精度不高，對非球面的補償精度只有0.28～1.11微米，即波像差僅為0.4～1.7個波長，此檢測結果並不滿足瑞利準則小於0.1個波長的要求。為了克服已知技術的上述不足，我們發明了本發明之一種光學非球面檢測準萬能補償器。
本發明是這樣實現的，見圖2、圖3所示，本發明之光學非球面檢測準萬能補償鏡5(以下簡稱準萬能補償鏡)的組成為，三個同軸球面透鏡6、7、8依次排列，透鏡6為凸平球面透鏡、透鏡7為平凹球面透鏡，透鏡8為雙凸球面透鏡，透鏡6的第一個面的曲率半徑r1和透鏡7的第二個面的曲率半徑r4相等，透鏡6第二個面的曲率半徑r2和透鏡7的第一個面的曲率半徑r3均為無窮大，透鏡6的前焦點與標準球面鏡10的後焦點F′重合，透鏡6、透鏡7之間的光是平行光，由光學自準直法利用平面反射的光調校和定位，使準萬能補償鏡5的前焦點O與標準球面鏡的後焦點F′重合，該點也是光源位置，它與準萬能補償鏡5的距離為-S0，由此確定了準萬能補償鏡5的初始位置，準萬能補償鏡5中的透鏡8補償透鏡6和透鏡7的高級像差，準萬能補償鏡5的球差與被檢非球面4的法向像差相等。
當用該準萬能補償鏡5檢測被檢非球面4時，把該準萬能補償鏡5與泰曼——格林幹涉儀9、標準球面鏡10相結合，見圖3所示，泰曼——格林幹涉儀9測試光路的平行光束經標準球面鏡10後聚焦於後焦點F′，再經準萬能補償鏡5後，其近軸光束會聚於被檢非球面4的近軸球心C，即近軸光束與被檢非球面4的法線重合；而其他各帶的光束分別與被檢非球面4的各帶法線重合。當檢測其它各類不同非球面時，沿光軸移動準萬能補償鏡5至某位置，使經準萬能補償鏡5出射後的光束的球差與被檢非球面4的法向像差相補償，補償精度滿足瑞利準則，即檢測結果波像差ΔW小於十分之一波長。該準萬能補償鏡5也可以檢測各種凸型非球面，原理、裝置相同，只需把凸面對向該準萬能補償鏡5即可。對於未在該準萬能補償鏡5檢測範圍內的非球面，可按本發明就準萬能補償鏡結構參數做常規調整，即可檢測其他參數範圍的非球面。按照上述方式使用準萬能補償鏡5，可檢測的非球面範圍大，可檢測近軸半徑r0從300mm到25000mm的拋物面，近軸半徑r0從10mm至50000mm的雙曲面，近軸半徑r0從400mm至50000mm的橢球面。其離心率e值變化大，例如近軸半徑r0為-700mm的雙曲面，離心率e在-1～-21.6之間變化。補償精度高，補償精度滿足理想成像的瑞利準則，均小於十分之一波長。檢測效果詳見表1、表2、表3、表4、表5。該準萬能補償鏡5也可以檢測各種高次非球面。本發明之準萬能補償鏡5各組成部分均為球面鏡，體積小，重量輕，通光口徑Dk為30mm，透鏡6、7、8最大中心厚度是4.5mm，所以設計、製造、裝調等都能夠實現，並且比較容易和方便。
表1 利用準萬能補償鏡檢測拋物面的結果

該表中各被檢拋物面的離心率為e＝-1，近軸半徑可檢測範圍為-25000mm≤r0≤-300mm，這只是一個大致的範圍，近軸半徑在該範圍以外的拋物面也同樣能被檢測出來。其波像差ΔW≤λ/10。
表2 利用準萬能補償鏡檢測雙曲面的結果

近軸半徑可檢測範圍為-50000mm≤r0≤-10mm。其波像差Δw＜λ/10。離心率e的變化範圍很大。
不同的近軸半徑r0及離心率e可構造不同的雙曲面，為了詳細描述準萬能補償鏡5所能檢測的雙曲面的範圍，我們對不同的雙曲面用光學設計軟體Zemax進行了分析，並在表3中給出了當近軸半徑r0一定時所能檢測的雙曲面離心率e的變化範圍。根據離心率e的變化趨勢，可大致判斷出哪些雙曲面可被準萬能補償鏡5檢測。
表3 準萬能補償鏡可檢測的雙曲面其離心率e的變化範圍

表中所給的離心率e的變化範圍不是精確的，還可在邊緣小範圍拓展。
表4 準萬能補償鏡檢測橢球面的結果

表5 準萬能補償鏡可檢測的橢球面其離心率e的變化範圍

表5中給出的r0的值從-400到-50000並非是一個精確的可檢測的近軸半徑值範圍，在這兩值之外的半徑也可被檢測出來。


圖1是已知技術之萬能補償鏡以及其與光源和被檢非球面相互位置關係示意圖。圖2是本發明之準萬能補償鏡以及其與光源和被檢非球面相互位置關係示意圖。圖3是本發明之準萬能補償鏡在檢測裝置中的位置及檢測過程示意圖。圖4是本發明之準萬能補償鏡球差曲線圖和被檢拋物面法向像差曲線圖。圖5是本發明之準萬能補償鏡補償被檢拋物面後波像差曲線圖。
具體事實施式見圖3所示，該準萬能補償鏡5是配合氦氖雷射光源而設計，雷射波長為632.8nm。被檢非球面4為拋物面反射鏡，口徑D為100mm，相對口徑D/f′為1/4，所設計的準萬能補償鏡5其光學結構參數在表6中示出，如此設計可使準萬能補償鏡5補償該被檢非球面4的波像差ΔW小於十分之一雷射波長。
表6 準萬能補償鏡的光學結構參數

準萬能補償鏡5的厚度d為d=n=13Dn+n=12dn]]>根據該式及表6可得所設計的準萬能補償鏡5的厚度d為19.5mm。當準萬能補償鏡5至標準球面鏡10的後焦點F′的距離為S0＝-673.25mm時，其補償效果由圖4示出，補償精度由圖5示出，可以看出補償後最大波像差只有0.021λ。
當檢測其它非球面時，只需相對標準球面鏡10的後焦點F′沿光學系統的光軸移動準萬能補償鏡5至某距離，使準萬能補償鏡5的球差與被檢非球面4的法向像差相等，其補償精度即可滿足瑞利準則，即波像差ΔW小於十分之一波長，表1、表2、表3、表4、表5分別示出利用該準萬能補償鏡5檢測部分其它種類和同一種類不同光學參數的非球面的結果。各表中的波像差ΔW是用Zemax光學設計軟體按泰曼—格林幹涉儀自準光路計算出的。光源與準萬能補償鏡5的距離為-S0，它也是檢測被檢非球面4時準萬能補償鏡5的第一個面至標準球面鏡10的後焦點F′的距離，測量時必須按此距離確定準萬能補償鏡5的位置。
對於高次非球面，按補償鏡的補償原理，只需調整準萬能補償鏡5相對標準球面鏡10的距離-S0，也可以檢測。
對於未在準萬能補償鏡5補償範圍內的非球面，例如近軸半徑r0為100mm的拋物面，可對準萬能補償鏡5的部分光學參數進行適當的修正，設計出具有另一組光學參數的準萬能補償鏡5，則可適應該範圍的非球面檢測。
距離-S0的確定(1)由被測非球面4的光學參數包括近軸半徑r0、口徑D和離心率e，根據設計經驗確定準萬能補償鏡5距標準球面鏡10的後焦點F′的初始距離；(2)利用光學設計軟體，例如Zemax軟體，用逐步逼近法，按準萬能補償鏡5在泰曼——格林幹涉儀9中的工作光路計算準萬能補償鏡5補償被檢非球面4的波像差ΔW；(3)當準萬能補償鏡5補償被檢非球面4的波像差ΔW小於十分之一光源的波長時，認為所對應的-S0是準萬能補償鏡5距標準球面鏡10的後焦點F′的精確距離；(4)實際檢測被檢非球面4的面形時，按-S0、S0、r0來確定準萬能補償鏡5、被檢非球面4在檢測裝置中的位置。S0是準萬能補償鏡5的像距，根據-S0以及準萬能補償鏡5的光學參數，由Zemax軟體計算確定。
權利要求
1.一種光學非球面檢測準萬能補償鏡，由同軸球面透鏡組成，其特徵在於，三個同軸球面透鏡(6、7、8)依次排列，透鏡(6)為凸平球面透鏡、透鏡(7)為平凹球面透鏡，透鏡(8)為雙凸球面透鏡，透鏡(6)的第一個面的曲率半徑r1和透鏡(7)的第二個面的曲率半徑r4相等，透鏡(6)第二個面的曲率半徑r2和透鏡(7)的第一個面的曲率半徑r3均為無窮大，透鏡(6)的前焦點與標準球面鏡(10)的後焦點F′重合，透鏡(6、7)之間的光是平行光，由光學自準直法利用平面反射的光調校和定位，使準萬能補償鏡(5)的前焦點O與標準球面鏡的後焦點F重合，該點也是光源位置，它與準萬能補償鏡(5)的距離為-S0，由此確定了準萬能補償鏡壹(5)的初始位置，準萬能補償鏡(5)中的透鏡(8)補償透鏡(6)和透鏡(7)的高級像差，準萬能補償鏡(5)的球差與被檢非球面(4)的法向像差相等。
2.根據權利要求1所述的準萬能補償鏡，其特徵在於，透鏡(6)r1＝325.2，r2＝∞，D1＝4.0，QK3；透鏡(7)r3＝∞，r4＝325.2，D2＝3.0，QK3；透鏡(8)r5＝174.3，r6＝-558.6，D3＝4.5，ZF6；透鏡(6)與透鏡(7)之間的距離d1＝4.0；透鏡(7)與透鏡(8)之間的距離d2＝4.0；單位mm。
全文摘要
一種光學非球面檢測準萬能補償鏡屬於光學非球面檢測技術領域。現有的一種雙透鏡萬能補償鏡體積較大，不易製作和裝調，並且，只能檢測大近軸半徑非球面，離心率變化範圍小，檢測精度低。本發明之準萬能補償鏡由三個球面透鏡依次同軸排列構成，分別為凸平、平凹、雙凸透鏡，凸平透鏡的凸面與平凹透鏡的凹面的曲率半徑相等，凸平透鏡的前焦點與標準球面鏡的後焦點重合，凸平透鏡與平凹透鏡之間的光是平行光，由光學自準直法利用平面反射的光調校和定位，確定準萬能補償鏡的初始位置，調至準萬能補償鏡的球差與被檢非球面的法向像差相等。全面克服現有技術的不足。可在較大範圍內、較高的精度上檢測二次、高次非球面。
文檔編號G02B7/02GK1731232SQ200510098278
公開日2006年2月8日 申請日期2005年9月5日 優先權日2005年9月5日
發明者王文生, 王冕, 王波, 王晶晶, 陳宇, 苗華 申請人:長春理工大學