非零位檢測(cè)凹拋物面鏡的部分補(bǔ)償透鏡體系與設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種非零位檢測(cè)凹拋物面鏡的部分補(bǔ)償透鏡體 系與設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在對(duì)非球面鏡進(jìn)行非零位干涉檢測(cè)時(shí)，部分補(bǔ)償透鏡通過(guò)補(bǔ)償被測(cè)面的大部分法 線像差，將返回到干涉儀探測(cè)器像面處的波前斜率降低到可分辨范圍，使系統(tǒng)得以采集到 清晰的干涉條紋，是部分補(bǔ)償法干涉檢測(cè)非球面的關(guān)鍵元件。部分補(bǔ)償透鏡不需對(duì)被測(cè)面 進(jìn)行完全零位補(bǔ)償，只要探測(cè)器處的波前斜率在可分辨范圍內(nèi)即可，因此一種參數(shù)的部分 補(bǔ)償透鏡可以對(duì)一定參數(shù)范圍內(nèi)的非球面鏡實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。盡管如此，一個(gè)部分補(bǔ)償透鏡所能 補(bǔ)償?shù)谋粶y(cè)非球面鏡范圍依然有限，難以實(shí)現(xiàn)通用化檢測(cè)。在非球面中，凹拋物面鏡得到廣 泛應(yīng)用，因此，合理設(shè)計(jì)并選擇若干個(gè)部分補(bǔ)償透鏡組成體系，以較少的部分補(bǔ)償透鏡數(shù)量 覆蓋常用被測(cè)拋物面鏡參數(shù)范圍，構(gòu)建體系的補(bǔ)償能力數(shù)據(jù)庫(kù)，是采用部分補(bǔ)償法實(shí)凹拋 物面鏡通用化檢測(cè)的必要前提。
[0003] 設(shè)計(jì)部分補(bǔ)償透鏡體系前，需要對(duì)單個(gè)部分補(bǔ)償透鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，約束條件主 要有三種：一種如文獻(xiàn)利用部分補(bǔ)償透鏡進(jìn)行非球面面形測(cè)量（北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004， Vol. 24, No. 7, P625~628)中所述，在CODE V光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中約束波像差曲線最大斜 率；文獻(xiàn)用于非球面通用化檢測(cè)的部分零位透鏡（紅外與激光工程，2009, Vol. 38, No. 2， P322~325)中提出將探測(cè)器平面的條紋密度作為約束條件，道理相同。第二種方法如文 獻(xiàn)基于Zemax的部分補(bǔ)償透鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)（光學(xué)學(xué)報(bào)，2011，Vol. 31，No. 6, P0622002-1~ 0622002-7)中所述，約束條件為像面彌散圓的最大半徑。第三種如文獻(xiàn)用于非球面通用化 檢測(cè)的部分零位透鏡（紅外與激光工程，2009，V〇1. 38，No. 2，P322~325)和文獻(xiàn)Design of partial nulls for testing of fast aspheric surfaces (Proc. Of SPIE,2007,Vol.6671, No. 66710W，P66710W-1~66710W-8)中所述，將光線入射被測(cè)面的入射角作為約束控制。但 是這些約束條件僅限定了探測(cè)器處條紋可被分辨，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法保證透鏡的可加工性， 在檢測(cè)中也無(wú)法保證測(cè)量結(jié)果的徑向剪切誤差控制在可接受范圍內(nèi)，因此，這樣的約束并 不完善，實(shí)用性較低。
[0004] 盡管文獻(xiàn)利用部分補(bǔ)償透鏡進(jìn)行非球面面形測(cè)量（北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004， Vol. 24, No. 7, P625~628)中對(duì)三個(gè)部分補(bǔ)償透鏡的設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行了初步的補(bǔ)償范圍分 析，但并沒(méi)能構(gòu)成部分補(bǔ)償透鏡體系及建立詳細(xì)的補(bǔ)償范圍數(shù)據(jù)庫(kù)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)一定范圍 內(nèi)特定被測(cè)面的通用化檢測(cè)。另外，已有技術(shù)中的部分補(bǔ)償鏡設(shè)計(jì)大多采用多片式結(jié)構(gòu)，加 工和裝調(diào)成本較高，也增加了實(shí)際檢測(cè)中系統(tǒng)校準(zhǔn)的難度。因此需要設(shè)計(jì)單片式部分補(bǔ)償 透鏡體系，以簡(jiǎn)單實(shí)用的結(jié)構(gòu)和方法實(shí)現(xiàn)對(duì)常用凹拋物面鏡的通用化檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，為凹拋物面鏡的通用化檢測(cè)，提供一種 非零位檢測(cè)凹拋物面鏡的部分補(bǔ)償透鏡體系與設(shè)計(jì)方法，并解決現(xiàn)有技術(shù)中部分補(bǔ)償透鏡 設(shè)計(jì)時(shí)約束條件不完善、實(shí)用性較低的技術(shù)問(wèn)題。
[0006] 非零位檢測(cè)凹拋物面鏡的部分補(bǔ)償透鏡體系，包括多個(gè)部分補(bǔ)償透鏡，每個(gè)部分 補(bǔ)償透鏡有各自可補(bǔ)償?shù)谋粶y(cè)拋物面鏡參數(shù)范圍，且所有部分補(bǔ)償透鏡的補(bǔ)償范圍能夠銜 接在一起，使體系的總補(bǔ)償范圍覆蓋常用的被測(cè)拋物面鏡參數(shù)；統(tǒng)計(jì)體系中每個(gè)部分補(bǔ)償 透鏡的詳細(xì)補(bǔ)償范圍邊界，構(gòu)建體系補(bǔ)償范圍數(shù)據(jù)庫(kù)，作出對(duì)被測(cè)拋物面鏡的補(bǔ)償范圍圖； 根據(jù)補(bǔ)償范圍圖，能夠直觀判斷給定被測(cè)拋物面鏡能否被該部分補(bǔ)償透鏡體系補(bǔ)償；根據(jù) 所建立的體系補(bǔ)償范圍數(shù)據(jù)庫(kù)，可以對(duì)被測(cè)拋物面鏡進(jìn)行更加準(zhǔn)確的判斷，并從中選擇最 適合對(duì)給定被測(cè)拋物面鏡實(shí)現(xiàn)部分補(bǔ)償檢測(cè)的最佳部分補(bǔ)償透鏡；對(duì)給定被測(cè)拋物面鏡， 無(wú)需重新設(shè)計(jì)加工部分補(bǔ)償透鏡，直接從體系中選擇最佳部分補(bǔ)償透鏡用于檢測(cè)即可。
[0007] -種非零位檢測(cè)凹拋物面鏡的部分補(bǔ)償透鏡體系設(shè)計(jì)方法如下：
[0008] 步驟1、初始結(jié)構(gòu)計(jì)算
[0009] 選擇一個(gè)被測(cè)拋物面鏡，其F數(shù)小于1. 2 ;通過(guò)幾何光學(xué)原理和初級(jí)像差理論分析 的方法，計(jì)算對(duì)被測(cè)拋物面鏡進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膯纹讲糠盅a(bǔ)償透鏡的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)；
[0010] 所述的部分補(bǔ)償透鏡，其靠近被測(cè)面的表面為標(biāo)準(zhǔn)球面，遠(yuǎn)離被測(cè)面的表面設(shè)為 平面，且由平行光入射；
[0011] 步驟2、部分補(bǔ)償透鏡的優(yōu)化
[0012] 2-1.在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中對(duì)簡(jiǎn)化后的等效干涉檢測(cè)路建模，該等效模型的光路結(jié)構(gòu) 為平面波透過(guò)部分補(bǔ)償透鏡后入射到被測(cè)拋物面鏡上，光波由被測(cè)拋物面鏡反射，返回的 光波再次通過(guò)部分補(bǔ)償透鏡，在像面處與由光學(xué)設(shè)計(jì)軟件提供的標(biāo)準(zhǔn)平面波發(fā)生干涉，形 成干涉條紋；
[0013] 2-2.部分補(bǔ)償透鏡的結(jié)構(gòu)為通過(guò)計(jì)算得到的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，被測(cè)拋物面鏡的形狀 參數(shù)是步驟1中計(jì)算部分補(bǔ)償透鏡的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)用到的參數(shù)；
[0014] 2-3.對(duì)部分補(bǔ)償透鏡的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)、部分補(bǔ)償透鏡與被測(cè)拋物面鏡之間的距離 d進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)限定的約束條件建立目標(biāo)函數(shù)，對(duì)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)和距離d進(jìn)行優(yōu)化求解；
[0015] 所述的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)包括部分補(bǔ)償透鏡前后表面的曲率半徑、厚度、口徑及材 料；
[0016] 所述的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件包括Zemax、Code V、ASAP、Light Tools及所有具有光線追 跡功能的軟件；
[0017] 所述的目標(biāo)函數(shù)的約束條件如下：
[0018] a.部分補(bǔ)償透鏡的口徑大小、厚度及材料滿足光學(xué)設(shè)計(jì)要求與實(shí)際加工標(biāo)準(zhǔn)； [0019] b.像面處相干波前的最大斜率值滿足奈奎斯特采樣定律；
[0020] c.像面波前單調(diào)，中心光程最長(zhǎng)并沿徑向遞減；
[0021] 步驟3、對(duì)優(yōu)化部分補(bǔ)償透鏡的補(bǔ)償范圍進(jìn)行分析
[0022] 3-1.在等效模型中使用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時(shí)初始化被測(cè)拋物面鏡的起始頂點(diǎn) 曲率半徑R及起始最小口徑D MIN ( -般取5_)，將部分補(bǔ)償透鏡與被測(cè)拋物面鏡之間的距離 d初始化為零；將部分補(bǔ)償透鏡與被測(cè)拋物面鏡之間的距離d設(shè)為變量；
[0023] 其中被測(cè)拋物面鏡的起始頂點(diǎn)曲率半徑R = _DMINXF，DMIN為拋物面鏡的起始最小 口徑，F(xiàn)為部分補(bǔ)償透鏡的F數(shù)；
[0024] 3-2.根據(jù)步驟2-3建立的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，若優(yōu)化時(shí)間超出設(shè)定的最長(zhǎng)求 解時(shí)間T mx( -般取10s)仍不能滿足約束條件，則按照步長(zhǎng)S增大被測(cè)拋物面鏡的頂點(diǎn)曲 率半徑R的絕對(duì)值，再重新優(yōu)化距離d ;如此循環(huán)直至滿足約束條件，然后將被測(cè)拋物面鏡 的口徑D和頂點(diǎn)曲率半徑R分別記錄在數(shù)組a和數(shù)組b中；
[0025] 3-3.按照步長(zhǎng)S1增大被測(cè)拋物面鏡的口徑D，其頂點(diǎn)曲率半徑R