近拋物面的旋轉軸對稱凹非球面的實時檢測方法
2023-06-23 16:39:26 2
專利名稱：近拋物面的旋轉軸對稱凹非球面的實時檢測方法
技術領域：
本發明屬於先進光學製造和檢測技術領域。
背景技術：
近拋物面的旋轉軸對稱凹非球面主要是指接近拋物面的凹橢球面或凹雙曲面以及以凹橢球面或凹雙曲面為基礎的高次曲面。高精度光學非球面元件面形的檢測主要採用幹涉檢測技術。在該項技術中，無像差點檢測、零位補償幹涉檢測技術廣泛應用於非球面拋光階段的面形檢測。所謂的無像差點檢測是指根據費馬原理，光線從一點傳到另外一點，經過任意多次折射或反射，其光程為極大值或極小值，也就是說光程是定值，光學上把這樣的點成為無像差點，利用無像差點檢測非球面的方法稱為無像差檢測。
此類無像差點檢測方法具有一定的缺點，具體表現在無像差點檢測主要用於檢測旋轉軸對稱二次曲面，不能檢測旋轉軸對稱高次曲面。零位補償幹涉檢測技術是指利用光學設計軟體，如ZEMAX，CODE V等，設計一種帶有特定波像差的光學系統，稱之為零位補償器，其中的零位補償器的設計是基於理想非球面的，檢驗光束經由數字波面幹涉儀出射至補償器，光束經過補償器再經被檢非球面反射，再次經過補償器後回到幹涉儀，從而實現待檢非球面元件面形的檢測。此類零位補償檢測不但能夠檢測旋轉軸對稱二次非球面也可以檢測旋轉軸對稱高次非球面。但是這種檢測方法也有一定的缺點，具體表現在針對不同面形的非球面元件，需要設計不同的補償器，同時為了獲得高精度的測量結果，要求在設計補償器時，一方面使之能夠很好地校正非球面波前差，另一方面要求補償器各元件的厚度，曲率半徑，空氣間隔、同心度等公差分配合理。這樣補償器的誤差極易產生鬼像，而導致衍射環的出現，並由於補償器其中某些元件的反射光與參考光發生相互幹涉，從而在像面上出現一些偽幹涉條紋，由於這些偽幹涉條紋與檢測光同時發生相位移動，因此對檢測結果影響很大。補償器的精度不但受設計結果的影響，還會受裝調的影響，補償器自身精度的檢測也是個難題。補償檢測光路調整複雜，耗時。
發明內容
本發明的目的在於提供一種方便、準確的近拋物面的旋轉軸對稱凹非球面的實時檢測方法。本發明的技術解決方案是一種近拋物面的旋轉軸對稱凹非球面的實時檢測方法，其特徵是利用光學設計軟體，如ZEMAX，CODE V等，用平面自準直法仿真出凹非球面(二次曲面或者高次曲面)相對於最接近拋物面的波像差，稱為非球面相對於拋物面的理論波像差，將此波像差，在極坐標下利用zernike多項式(取前36項或前37項均可以)進行擬合，令x = rcos Θ , y =rsin Θ，將極坐標下的zernike方程轉化為直角坐標下的形式；使用數字波面幹涉儀(如zygo, wyko, fisba, esdi等)利用球面鏡頭搭建平面自準直光路測量出非球面相對於拋物面的波像差，稱為非球面相對於拋物面的實際波像差。這個實際波像差用離散的三維矩陣(X，y, z)表示，x，y表示像素的位置，z表示對應像素位置波像差的矢高。根據實際波像差的三維矩陣，確定實際波面的有效像素，以此為依據對理論波像差在直角坐標系下的zernike多項式進行像素劃分，將zernike多項式表示的理論波像差轉化為矩陣(x』，y』，z』)的形式，保證與實際波像差有效像素的分布相同，將實際波像差的矩陣和理論波像差的矩陣統一到同一坐標系下，讓兩個波像差的像素一一對應，然後將兩個波像差的矢高做差法運算，即Λζ = ζ' -ζ，即可得到非球面實際面形與理論面形的殘差分布，從而實現對近拋物面的旋轉軸對稱凹非球面的實時檢測。標準平面鏡口徑不小於待測非球面鏡口徑，標準平面鏡中心開中心孔，中心孔的大小不大於凹非球面中心盲區的大小。數字波面幹涉儀能夠用自準直法測量出待測光學非球面相對於最接近拋物面的全口徑波像差，且需要去除平移(piston)，傾斜(tilt)等誤差。
本發明不僅克服了無像差點不能檢測旋轉軸對稱高次非球面，也克服了傳統零位補償檢驗中補償器專用性，裝調複雜、耗時等缺點，只需要大於等於待檢非球面鏡口徑的標準平面鏡，具有快速、準確、檢測範圍廣等優點，具有廣闊的市場前景。本檢測方法檢測非球面的最大非球面度和非球面度梯度取決於數字波面幹涉儀內CCD陣列像元的大小和數目。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。圖1是本發明的工作原理圖。圖2是本發明雙曲面相對於最接近拋物面的理論波像差圖。圖3是本發明雙曲面檢測光路圖。圖4是本發明雙曲面相對於最接近拋物面的實際波像差圖。圖5是本發明實際雙曲面面形與理論面形的殘差分布圖。
具體實施例方式一種近拋物面的旋轉軸對稱凹非球面的實時檢測方法，其特徵是利用光學設計軟體，如ZEMAX，CODE V等，用平面自準直法仿真出凹非球面(二次曲面或者高次曲面)相對於最接近拋物面的波像差，稱為非球面相對於拋物面的理論波像差，將此波像差，在極坐標下利用zernike多項式(取前36項或37項均可以)進行擬合,令x = rcos Θ，y = rsin Θ，將極坐標下的zernike方程轉化為直角坐標下的形式；使用數字波面幹涉儀(如zygo, wyko,fisba, esdi等)利用球面鏡頭搭建平面自準直光路測量出非球面相對於拋物面的波像差，稱為非球面相對於拋物面的實際波像差。這個實際波像差用離散的三維矩陣(x，y，z)表示，x，y表示像素的位置，ζ表示對應像素位置波像差的矢高。根據實際波像差的三維矩陣，確定實際波面的有效像素，以此為依據對理論波像差在直角坐標系下的zernike多項式進行像素劃分，將zernike多項式表示的理論波像差轉化為矩陣(x』，y』，ζ』)的形式，保證與實際波像差有效像素的分布相同，將實際波像差的矩陣和理論波像差的矩陣統一到同一坐標系下，讓兩個波像差的像素一一對應，然後將兩個波像差的矢高做差法運算，即Λ ζ =Z' -Z ,即可得到非球面實際面形與理論面形的殘差分布，從而實現對近拋物面的旋轉軸對稱凹非球面的實時檢測。標準平面鏡口徑不小於待測非球面鏡口徑，標準平面鏡中心開中心孔，中心孔的大小不大於凹非球面中心盲區的大小。數字波面幹涉儀能夠用自準直法測量出待測光學非球面相對於最接近拋物面的全口徑波像差，且需要去除平移(piston)，傾斜(tilt)等誤差。利用光學設計軟體，如ZEMAX，CODE V等，對近拋物面的旋轉軸對稱凹非球面進行平面自準直檢測進行仿真，檢測光路如圖2所示，得到非球面相對於最接拋物面的理論波像差如圖3所示。利用數字波面幹涉儀I檢測待檢非球面，2為幹涉儀鏡頭，3為待檢非球面鏡，4為標準平面鏡。標準平面鏡置於幹涉儀鏡頭與待檢非球面鏡之間，到幹涉儀鏡頭焦點的距離小於rd/(2D)的範圍均可，其中r為待檢非球面鏡的頂點曲率半徑，d為標準平面鏡中心孔的直徑，D為待檢非球面鏡口徑，為了調整的方便通常將標準平面鏡置於幹涉儀鏡頭焦點前，如圖2所示。從而得到待測非球面3相對於最接近拋物面的實際波像差，去除平移(piston),傾斜(tilt)等誤差,如圖4所示。將實際波像差的矩陣和理論波像差的矩陣統一到同一坐標系下，讓兩個波像差的像素一一對應，然後將兩個波像差的矢高做差法運算，即Az = Z' -z，即可得到非球面實際面形與理論面形的殘差分布，如圖5所示。
權利要求
1.一種近拋物面的旋轉軸對稱凹非球面的實時檢測方法，其特徵是用平面自準直法仿真出凹非球面相對於最接近拋物面的波像差，即非球面相對於拋物面的理論波像差，將此波像差，在極坐標下利用zernike多項式，取前36項或前37項進行擬合,令x=rcos Θ， I = rsin Θ，將極坐標下的zernike方程轉化為直角坐標下的形式；使用數字波面幹涉儀利用球面鏡頭搭建平面自準直光路測量出非球面相對於拋物面的波像差，即非球面相對於拋物面的實際波像差，這個實際波像差用離散的三維矩陣(x，y，z)表示，X，y表示像素的位置，z表示對應像素位置波像差的矢高；根據實際波像差的三維矩陣，確定實際波面的有效像素，以此為依據對理論波像差在直角坐標系下的zernike多項式進行像素劃分，將 zernike多項式表示的理論波像差轉化為矩陣(x』，y』，z』)的形式，保證與實際波像差有效像素的分布相同，將實際波像差的矩陣和理論波像差的矩陣統一到同一坐標系下，讓兩個波像差的像素一一對應，然後將兩個波像差的矢高做差法運算，即Az = Z' -z，即可得到非球面實際面形與理論面形的殘差分布，從而實現對近拋物面的旋轉軸對稱凹非球面的實時檢測；所述使用數字波面幹涉儀利用球面鏡頭搭建平面自準直光路是將標準平面鏡置於幹涉儀球面鏡頭與待檢非球面鏡之間，標準平面鏡到幹涉儀鏡頭焦點的距離小於rd/(2D)， 其中r為待檢非球面鏡的頂點曲率半徑，d為標準平面鏡中心孔的直徑，D為待檢非球面鏡口徑。
2.根據權利要求1所述的近拋物面的旋轉軸對稱凹非球面的實時檢測方法，其特徵是標準平面鏡口徑不小於待測非球面鏡口徑，標準平面鏡中心開中心孔，中心孔的大小不大於凹非球面中心盲區的大小。
3.根據權利要求1或2所述的近拋物面的旋轉軸對稱凹非球面的實時檢測方法，其特徵是數字波面幹涉儀測量出非球面相對於拋物面的波像差，需要去除平移及傾斜誤差。
全文摘要
本發明公開了一種近拋物面的旋轉軸對稱凹非球面的實時檢測方法，用平面自準直法仿真出凹非球面相對於最接近拋物面的波像差，在極坐標下利用zernike多項式進行擬合，將極坐標下的zernike方程轉化為直角坐標下的形式；使用數字波面幹涉儀測量出非球面相對於拋物面的波像差，將實際波像差的矩陣和理論波像差的矩陣統一到同一坐標系下，讓兩個波像差的像素一一對應，然後將兩個波像差的矢高做差法運算，即，即可得到非球面實際面形與理論面形的殘差分布。本發明具有快速、準確、檢測範圍廣等優點，具有廣闊的市場前景。
文檔編號G01B11/24GK103017681SQ201210521650
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月7日 優先權日2012年12月7日
發明者潘寶珠, 湯靖, 邵旭萍, 趙永林, 李雅麗, 施建珍 申請人:南通大學