可實現非球面通用化檢測的大球差補償鏡及其裝置的製作方法

2023-05-03 10:02:11 1

專利名稱：：可實現非球面通用化檢測的大球差補償鏡及其裝置的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種可實現非球面通用化檢測的大球差補償透鏡結構及其裝置。技術背景非球面檢測是光學檢測領域的一項非常重要的內容。由於非球面在提供足夠的像差控制自由度、提高系統質量的同時，可以減小系統的尺寸、重量以及複雜程度，所以其己廣泛應用於國防、工業及民用等諸多領域。但是光學設計人員在進行光學系統設計時目前仍然儘量避免採用具有大口徑、大相對口徑的非球面，其重要原因在於這類非球面比較難於檢測。目前一般採用計算全息法(ComputerGeneratedHolograms)和補償法等兩種方法來檢驗非球面。計算全息法需要製作高精度的計算全息片，使該全息片的衍射波前與被檢非球面的理論面型完全相符，實現零位檢測。這種檢測方法對各器件的加工及其在系統中的位置要求比較高，特別是計算全息片(ComputerGeneratedHologram,縮寫為CGH)的加工及位置，稍有偏差就會給檢測結果帶來很大影響。補償法通過補償鏡把平面或球面波轉換為與被測非球面理論面型完全吻合的非球面波前，之後再利用其它波前檢測儀器檢測。常用的有Offner、Dall等補償法。上面兩種方法由於都需要產生一個與被測非球面理論面型完全吻合的波面，只能實現一對一的或者說同輪廓的檢測，對每一個被測非球面都要設計一個零位器件，即計算全息片(CGH)或一個補償透鏡，不能實現通用化檢測。並且零位器件的設計、加工及調整等都相當複雜，消耗的費用及時間都是非常大的。針對目前非球面基本上是一對一檢測，且需要的零位器件在設計、加工及調整等方面都相當複雜，本發明提出了一種具有較大球差的補償透鏡及其裝置，在不同孔徑環帶產生特定大球差，以補償被測非球面的縱向法線像差，配以計算機軟體建模，實現非球面的通用化檢測。大球差補償鏡結構簡單，加工成本較低，且裝調容易。通過一個大球差透鏡即可實現對一系列非球面透鏡的補償，可以實現非球面的通用化檢測。
發明內容本發明的目的是提出一種可實現非球面通用化檢測的大球差補償鏡結構及其裝置。可實現非球面通用化檢測的大球差補償鏡具有雙分離鏡片，雙分離鏡片具有兩個依次排列的同軸球面負透鏡、正透鏡，負透鏡為凸凹球面透鏡、正透鏡為凸凸球面透鏡。利用大球差補償透鏡進行非球面的通用化檢測裝置在同一光軸上依次設有雙分離鏡片、出瞳、波前檢測儀器，雙分離鏡片具有兩個同軸依次排列的負透鏡、正透鏡，負透鏡為凸凹球面透鏡、正透鏡為凸凸球面透鏡，在波前檢測儀器中設有數字相機。所述的負透鏡1的凸曲面曲率半徑範圍為6066mm，厚度範圍為614mm，凹曲面曲率半徑範圍為3847mm,玻璃材料為F3，口徑範圍為4060mm。正透鏡2的第一凸曲面曲率半徑範圍為6066mm，厚度範圍為614mm，第二凸曲面曲率半徑範圍為-220-270mm，玻璃材料為BK7，口徑範圍為4060mm，其中，第一凸曲面靠近負透鏡(1)凹曲面。所述的波前檢測儀器6為泰曼一格林幹涉儀或剪切幹涉儀。本發明與現有技術相比具有的有益效果主要體現在其可以實現非球面的通用化檢測，即大球差補償鏡可以在不同環帶產生較大的球差，一定程度上補償非球面的縱向法線像差，使補償後的非球面波前不超過波前檢測儀器的分辨能力；利用一個大球差補償鏡即可對多個非球面達到補償目的，從而實現通用化!^圖說明圖1是大球差補償透鏡的基本結構；圖2是利用大球差補償透鏡進行非球面的通用化檢測裝置的原理圖；圖3是針對相對口徑為1:2的二次非球面的大球差補償透鏡的球差曲線圖；圖4是計算的利用大球差補償鏡補償非球面後的返回波面在泰曼一格林幹涉儀的數字相機(CCD)上得到的幹涉圖；圖5是計算的利用標準透鏡補償非球面後的返回波面在泰曼—格林幹涉儀的數字相機(CCD)上得到的幹涉圖；具體實施方式如圖l所示，可實現非球面通用化檢測的大球差補償鏡具有雙分離鏡片3，雙分離鏡片3具有兩個依次排列的同軸球面負透鏡1、正透鏡2，負透鏡1為凸凹球面透鏡、正透鏡2為凸凸球面透鏡。所述的負透鏡1的凸曲面曲率半徑範圍為6066mm，厚度範圍為614mm，凹曲面曲率半徑範圍為3847mm,玻璃材料為F3，口徑範圍為4060mm。正透鏡2的第一凸曲面曲率半徑範圍為6066mm，厚度範圍為614mm,第二凸曲面曲率半徑範圍為-220-270mm，玻璃材料為BK7,口徑範圍為4060mm，其中，第一凸曲面靠近負透鏡(1)凹曲面。大球差補償鏡的設計要求為記錄在波前檢測儀器6中的數字相機7上的幹涉條紋不超過檢測儀器的極限分辨能力。對於利用數字相機(CCD)7來記錄幹涉條紋的波前檢測儀器6來說，儀器的極限分辨能力主要是儀器所採用的位相解調方法對條紋間隔的限制，即限定了最小條紋寬度的下限及最大條紋寬度的上限，用公式表示即為formulaseeoriginaldocumentpage5其中，『為從系統出瞳5進入波前檢測儀器6到達數字相機(CCD)7的波前，x為數字相機(CCD)檢測到的幹涉條紋間隔極值的方向，A^為最小條紋寬度的下限，iV,為最大條紋寬度的上限。由於從系統出瞳5進入波前檢測儀器6到達數字相機(CCD)7的波前『一般都是系統出瞳5處的波前K加上一個相位調製波前^。d，則(1)式要改寫為或者寫為formulaseeoriginaldocumentpage5相位調製波前^。d主要由相位調製方式決定，主要有線性載波方式、環形載波方式、移相式及無載波方式等。利用圖l所示的初始結構，再把(2)式作為大球差補償透鏡的光學設計約束條件，即可得到所需要的真正的大球差補償透鏡的具體參數。由於約束條件僅為數字相機(CCD)7記錄的條紋寬度在某一個範圍內，且一般均為較大的一個範圍，這將允許對於一個非球面有多個結構滿足要求；同樣，由於約束條件較為寬鬆，利用一個大球差補償透鏡可以實現一系列非球面的檢測，真正實現通用化。如圖2所述，利用大球差補償透鏡進行非球面的通用化檢測裝置是在同一光軸上依次設有雙分離鏡片3、出瞳5、波前檢測儀器6，雙分離鏡片3具有兩個同軸依次排列的負透鏡l、正透鏡2，負透鏡l為凸凹球面透鏡、正透鏡2為凸凸球面透鏡，在波前檢測儀器6中設有數字相機7。所述的波前檢測儀器6為泰曼一格林幹涉儀或剪切幹涉儀。驗非球面的步驟如下-1)首先調整大球差補償鏡和被測非球面的相對位置，使大球差補償鏡的近軸焦點與被測非球面的頂點球球心大致重合。這樣，平行光經過大球差透鏡後產生較大球差，入射到被測非球面後，反射的光又一次通過大球差透鏡並傳播至系統的出瞳。2)選取現有的任意一種波前檢測儀器，如泰曼—格林幹涉儀、剪切幹涉儀等，檢測出瞳處的波前。3)利用仿真軟體，結合整個光路、非球面理論面型及大球差補償鏡，根據2)中選定的波前檢測儀器，模擬出瞳處的理論波前。4)調整被測非球面，使測得的實際波前與3)中模擬的理論波前儘可能接近。5)當4)中實際波前與模擬的理論波前最接近時，實際波前與理論波前的偏差即為非球面的面型偏差。由於理論波前是由整個光路、非球面理論面型及大球差補償鏡4共同作用產生的，故其可統稱為系統誤差。這樣經過上面5個步驟得到的非球面面型偏差即為去除了系統誤差的被測非球面的面型誤差。由於不要求大球差補償鏡產生的縱向球差與非球面本身的縱向法線像差完全吻合，只要能使他們的偏差在一定範圍之內，滿足檢測儀器的極限分辨能力即可，所以該大球差補償鏡可以實現對非球面的通用化檢測。實施例針對相對口徑為1:1.8到1:3.0的二次非球面進行了大球差補償透鏡的設計，並敘述了檢測時的具體操作方法。大球差補償透鏡採用圖一所示的初始結構，口徑為50mm。如圖5所示，為滿足位相解調數據處理要求，限制幹涉條紋的寬度為220個象素，即在公式formulaseeoriginaldocumentpage6把上式作為約束條件在光學設計軟體(如ZEMAX)中作為主要操作控制變並設定其權重高於其它操作控制變量一個數量級以上。為了加快收斂，加入另外一組約束條件，即入射到非球面表面的光線的入射角儘量小，即趨近於0。該項約束在光學設計軟體(如ZEMAX)中也是可以設置的，權重比上面的條紋間隔約束少一個數量級即可。這樣便可得到-一組針對相對口徑為1:1.8到l:3.0的二次非球面的大球差補償透鏡(以下簡稱大球差鏡L1)，其結構參數如表l所示表1針對相對口徑1:1.8到1:3.0的二次非球面的、可實現非球面通用化檢測的大球差補償透鏡結構參數(單位毫米)tableseeoriginaldocumentpage7大球差鏡L1的球差曲線如圖3所示。利用大球差補償鏡對非球面進行補償，補償後的返回波面在泰曼一格林幹涉儀的數字相機(CCD)上得到的幹涉圖仿真結果如圖4所示。圖5為利用大標準透鏡對非球面進行補償，補償後的返回波面在泰曼一格林幹涉儀的數字相機(CCD)上得到的幹涉圖仿真結果。可以看到，利用大球差補償鏡對非球面進行補償，補償後的返回波面在泰曼一格林幹涉儀的數字相機(CCD)上得到的幹涉圖的條紋間隔相對比較均勻，沒有非常窄的。而利用大標準透鏡對非球面迸行補償，補償後的返回波面在泰曼一格林幹涉儀的數字相機(CCD)上得到的千涉圖條紋疏密像差懸殊，並且有非常密的條紋，從這麼密的條紋中幾乎是無法提前波前信息的。表2為利用大球差透鏡Ll和標準透鏡分別對二次拋物面進行補償的結果。表2利用大球差透鏡Ll和標準透鏡分別對二次拋ij勿面進行補償的結果tableseeoriginaldocumentpage7tableseeoriginaldocumentpage8tableseeoriginaldocumentpage9可見，利用大球差補償鏡對口徑從150mm到550mm，相對口徑小於1.8的非球面進行補償，可以很容易地使補償後的返回波面的峰谷值小於25個波長，總體上比用標準透鏡對非球面進行補償得到的返回波面的峰谷值要低得多。同時，如圖4及圖5所示，利用大球差補償鏡補償後得到的幹涉圖比用標準透鏡補償得到的幹涉圖的條紋間隔更稀疏一些，並沒有像圖5中的很密的條紋，有利於對條紋的處理及波前的提取。權利要求1.一種可實現非球面通用化檢測的大球差補償鏡，其特徵在於具有雙分離鏡片(3)，雙分離鏡片(3)具有兩個依次排列的同軸球面負透鏡(1)、正透鏡(2)，負透鏡(1)為凸凹球面透鏡、正透鏡(2)為凸凸球面透鏡。2.根據權利要求1所述的一種可實現非球面通用化檢測的大球差補償鏡，其特徵在於，所述的負透鏡(1)的凸曲面曲率半徑範圍為6066mm，厚度範圍為614mm,凹曲面曲率半徑範圍為3847mm，玻璃材料為F3，口徑範圍為4060mm。3.根據權利要求1所述的一種可實現非球面通用化檢測的大球差補償鏡，其特徵在於，所述的正透鏡(2)的第一凸曲面曲率半徑範圍為6066mm，厚度範圍為614mm，第二凸曲面曲率半徑範圍為-220-270mm,玻璃材料為BK7，口徑範圍為4060mm，其中，第一凸曲面靠近負透鏡(1)凹曲面。4.一種利用大球差補償透鏡進行非球面的通用化檢測裝置，其特徵在於，在同一光軸上依次設有雙分離鏡片(3)、出瞳(5)、波前檢測儀器(6)，雙分離鏡片(3)具有兩個同軸依次排列的負透鏡(1)、正透鏡(2)，負透鏡(1)為凸凹球面透鏡、正透鏡2為凸凸球面透鏡，在波前檢測儀器(6)中設有數字相機(7)。5.根據權利要求4所述的一種利用大球差補償透鏡進行非球面的通用化檢測裝置，其特徵在於，所述的負透鏡(1)的凸曲面曲率半徑範圍為6066mm，厚度範圍為614mm，凹曲面曲率半徑範圍為3847mm,玻璃材料為F3，口徑範圍為4060mm。6.根據權利要求4所述的一種利用大球差補償透鏡進行非球面的通用化檢測裝置，其特徵在於，所述的正透鏡(2)的第一凸曲面曲率半徑範圍為6066mm，厚度範圍為614mm，第二凸曲面曲率半徑範圍為-220-270mm，玻璃材料為BK7，口徑範圍為4060mm，其中，第一凸曲面靠近負透鏡(1)凹曲面。7.根據權利要求4所述的一種利用大球差補償透鏡進行非球面的通用化檢測裝置，其特徵在於，所述的波前檢測儀器6為泰曼一格林幹涉儀或剪切幹涉全文摘要本發明公開了一種可實現非球面通用化檢測的大球差補償透鏡結構及其裝置。大球差補償鏡具有雙分離鏡片，雙分離鏡片具有兩個依次排列的同軸球面負透鏡、正透鏡，負透鏡為凸凹球面透鏡、正透鏡為凸凸球面透鏡。利用大球差補償透鏡進行非球面的通用化檢測裝置在同一光軸上依次設有大球差補償透鏡、出瞳、波前檢測儀器，在波前檢測儀器中設有數字相機。本發明與現有技術相比具有的有益效果主要體現在其可以實現非球面的通用化檢測，即大球差補償鏡可以在不同環帶產生較大的球差，一定程度上補償非球面的縱向法線像差，使補償後的非球面波前不超過波前檢測儀器的分辨能力；利用一個大球差補償鏡即可對多個非球面達到補償目的，從而實現通用化檢測。文檔編號G01B11/24GK101241232SQ20071015662公開日2008年8月13日申請日期2007年11月8日優先權日2007年11月8日發明者東劉,卓永模,楊甬英申請人:浙江大學