專利名稱：：可實(shí)現(xiàn)非球面通用化檢測的大球差補(bǔ)償鏡及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種可實(shí)現(xiàn)非球面通用化檢測的大球差補(bǔ)償透鏡結(jié)構(gòu)及其裝置。技術(shù)背景非球面檢測是光學(xué)檢測領(lǐng)域的一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容。由于非球面在提供足夠的像差控制自由度、提高系統(tǒng)質(zhì)量的同時(shí)，可以減小系統(tǒng)的尺寸、重量以及復(fù)雜程度，所以其己廣泛應(yīng)用于國防、工業(yè)及民用等諸多領(lǐng)域。但是光學(xué)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)目前仍然盡量避免采用具有大口徑、大相對口徑的非球面，其重要原因在于這類非球面比較難于檢測。目前一般采用計(jì)算全息法(ComputerGeneratedHolograms)和補(bǔ)償法等兩種方法來檢驗(yàn)非球面。計(jì)算全息法需要制作高精度的計(jì)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(shí)現(xiàn)零位檢測。這種檢測方法對各器件的加工及其在系統(tǒng)中的位置要求比較高，特別是計(jì)算全息片(ComputerGeneratedHologram,縮寫為CGH)的加工及位置，稍有偏差就會(huì)給檢測結(jié)果帶來很大影響。補(bǔ)償法通過補(bǔ)償鏡把平面或球面波轉(zhuǎn)換為與被測非球面理論面型完全吻合的非球面波前，之后再利用其它波前檢測儀器檢測。常用的有Offner、Dall等補(bǔ)償法。上面兩種方法由于都需要產(chǎn)生一個(gè)與被測非球面理論面型完全吻合的波面，只能實(shí)現(xiàn)一對一的或者說同輪廓的檢測，對每一個(gè)被測非球面都要設(shè)計(jì)一個(gè)零位器件，即計(jì)算全息片(CGH)或一個(gè)補(bǔ)償透鏡，不能實(shí)現(xiàn)通用化檢測。并且零位器件的設(shè)計(jì)、加工及調(diào)整等都相當(dāng)復(fù)雜，消耗的費(fèi)用及時(shí)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(shè)計(jì)、加工及調(diào)整等方面都相當(dāng)復(fù)雜，本發(fā)明提出了一種具有較大球差的補(bǔ)償透鏡及其裝置，在不同孔徑環(huán)帶產(chǎn)生特定大球差，以補(bǔ)償被測非球面的縱向法線像差，配以計(jì)算機(jī)軟件建模，實(shí)現(xiàn)非球面的通用化檢測。大球差補(bǔ)償鏡結(jié)構(gòu)簡單，加工成本較低，且裝調(diào)容易。通過一個(gè)大球差透鏡即可實(shí)現(xiàn)對一系列非球面透鏡的補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)非球面的通用化檢測。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種可實(shí)現(xiàn)非球面通用化檢測的大球差補(bǔ)償鏡結(jié)構(gòu)及其裝置?？蓪?shí)現(xiàn)非球面通用化檢測的大球差補(bǔ)償鏡具有雙分離鏡片，雙分離鏡片具有兩個(gè)依次排列的同軸球面負(fù)透鏡、正透鏡，負(fù)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(bǔ)償透鏡進(jìn)行非球面的通用化檢測裝置在同一光軸上依次設(shè)有雙分離鏡片、出瞳、波前檢測儀器，雙分離鏡片具有兩個(gè)同軸依次排列的負(fù)透鏡、正透鏡，負(fù)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(shè)有數(shù)字相機(jī)。所述的負(fù)透鏡1的凸曲面曲率半徑范圍為6066mm，厚度范圍為614mm，凹曲面曲率半徑范圍為3847mm,玻璃材料為F3，口徑范圍為4060mm。正透鏡2的第一凸曲面曲率半徑范圍為6066mm，厚度范圍為614mm，第二凸曲面曲率半徑范圍為-220-270mm，玻璃材料為BK7，口徑范圍為4060mm，其中，第一凸曲面靠近負(fù)透鏡(1)凹曲面。所述的波前檢測儀器6為泰曼一格林干涉儀或剪切干涉儀。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果主要體現(xiàn)在其可以實(shí)現(xiàn)非球面的通用化檢測，即大球差補(bǔ)償鏡可以在不同環(huán)帶產(chǎn)生較大的球差，一定程度上補(bǔ)償非球面的縱向法線像差，使補(bǔ)償后的非球面波前不超過波前檢測儀器的分辨能力；利用一個(gè)大球差補(bǔ)償鏡即可對多個(gè)非球面達(dá)到補(bǔ)償目的，從而實(shí)現(xiàn)通用化!^圖說明圖1是大球差補(bǔ)償透鏡的基本結(jié)構(gòu)；圖2是利用大球差補(bǔ)償透鏡進(jìn)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(bǔ)償透鏡的球差曲線圖；圖4是計(jì)算的利用大球差補(bǔ)償鏡補(bǔ)償非球面后的返回波面在泰曼一格林干涉儀的數(shù)字相機(jī)(CCD)上得到的干涉圖；圖5是計(jì)算的利用標(biāo)準(zhǔn)透鏡補(bǔ)償非球面后的返回波面在泰曼—格林干涉儀的數(shù)字相機(jī)(CCD)上得到的干涉圖；具體實(shí)施方式如圖l所示，可實(shí)現(xiàn)非球面通用化檢測的大球差補(bǔ)償鏡具有雙分離鏡片3，雙分離鏡片3具有兩個(gè)依次排列的同軸球面負(fù)透鏡1、正透鏡2，負(fù)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(fù)透鏡1的凸曲面曲率半徑范圍為6066mm，厚度范圍為614mm，凹曲面曲率半徑范圍為3847mm,玻璃材料為F3，口徑范圍為4060mm。正透鏡2的第一凸曲面曲率半徑范圍為6066mm，厚度范圍為614mm,第二凸曲面曲率半徑范圍為-220-270mm，玻璃材料為BK7,口徑范圍為4060mm，其中，第一凸曲面靠近負(fù)透鏡(1)凹曲面。大球差補(bǔ)償鏡的設(shè)計(jì)要求為記錄在波前檢測儀器6中的數(shù)字相機(jī)7上的干涉條紋不超過檢測儀器的極限分辨能力。對于利用數(shù)字相機(jī)(CCD)7來記錄干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采用的位相解調(diào)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<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中，『為從系統(tǒng)出瞳5進(jìn)入波前檢測儀器6到達(dá)數(shù)字相機(jī)(CCD)7的波前，x為數(shù)字相機(jī)(CCD)檢測到的干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。由于從系統(tǒng)出瞳5進(jìn)入波前檢測儀器6到達(dá)數(shù)字相機(jī)(CCD)7的波前『一般都是系統(tǒng)出瞳5處的波前K加上一個(gè)相位調(diào)制波前^。d，則(1)式要改寫為或者寫為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>相位調(diào)制波前^。d主要由相位調(diào)制方式?jīng)Q定，主要有線性載波方式、環(huán)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(jié)構(gòu)，再把(2)式作為大球差補(bǔ)償透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)約束條件，即可得到所需要的真正的大球差補(bǔ)償透鏡的具體參數(shù)。由于約束條件僅為數(shù)字相機(jī)(CCD)7記錄的條紋寬度在某一個(gè)范圍內(nèi)，且一般均為較大的一個(gè)范圍，這將允許對于一個(gè)非球面有多個(gè)結(jié)構(gòu)滿足要求；同樣，由于約束條件較為寬松，利用一個(gè)大球差補(bǔ)償透鏡可以實(shí)現(xiàn)一系列非球面的檢測，真正實(shí)現(xiàn)通用化。如圖2所述，利用大球差補(bǔ)償透鏡進(jìn)行非球面的通用化檢測裝置是在同一光軸上依次設(shè)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(gè)同軸依次排列的負(fù)透鏡l、正透鏡2，負(fù)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(shè)有數(shù)字相機(jī)7。所述的波前檢測儀器6為泰曼一格林干涉儀或剪切干涉儀。驗(yàn)非球面的步驟如下-1)首先調(diào)整大球差補(bǔ)償鏡和被測非球面的相對位置，使大球差補(bǔ)償鏡的近軸焦點(diǎn)與被測非球面的頂點(diǎn)球球心大致重合。這樣，平行光經(jīng)過大球差透鏡后產(chǎn)生較大球差，入射到被測非球面后，反射的光又一次通過大球差透鏡并傳播至系統(tǒng)的出瞳。2)選取現(xiàn)有的任意一種波前檢測儀器，如泰曼—格林干涉儀、剪切干涉儀等，檢測出瞳處的波前。3)利用仿真軟件，結(jié)合整個(gè)光路、非球面理論面型及大球差補(bǔ)償鏡，根據(jù)2)中選定的波前檢測儀器，模擬出瞳處的理論波前。4)調(diào)整被測非球面，使測得的實(shí)際波前與3)中模擬的理論波前盡可能接近。5)當(dāng)4)中實(shí)際波前與模擬的理論波前最接近時(shí)，實(shí)際波前與理論波前的偏差即為非球面的面型偏差。由于理論波前是由整個(gè)光路、非球面理論面型及大球差補(bǔ)償鏡4共同作用產(chǎn)生的，故其可統(tǒng)稱為系統(tǒng)誤差。這樣經(jīng)過上面5個(gè)步驟得到的非球面面型偏差即為去除了系統(tǒng)誤差的被測非球面的面型誤差。由于不要求大球差補(bǔ)償鏡產(chǎn)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范圍之內(nèi)，滿足檢測儀器的極限分辨能力即可，所以該大球差補(bǔ)償鏡可以實(shí)現(xiàn)對非球面的通用化檢測。實(shí)施例針對相對口徑為1:1.8到1:3.0的二次非球面進(jìn)行了大球差補(bǔ)償透鏡的設(shè)計(jì)，并敘述了檢測時(shí)的具體操作方法。大球差補(bǔ)償透鏡采用圖一所示的初始結(jié)構(gòu)，口徑為50mm。如圖5所示，為滿足位相解調(diào)數(shù)據(jù)處理要求，限制干涉條紋的寬度為220個(gè)象素，即在公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>把上式作為約束條件在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件(如ZEMAX)中作為主要操作控制變并設(shè)定其權(quán)重高于其它操作控制變量一個(gè)數(shù)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盡量小，即趨近于0。該項(xiàng)約束在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件(如ZEMAX)中也是可以設(shè)置的，權(quán)重比上面的條紋間隔約束少一個(gè)數(shù)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(bǔ)償透鏡(以下簡稱大球差鏡L1)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shí)現(xiàn)非球面通用化檢測的大球差補(bǔ)償透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位毫米)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>大球差鏡L1的球差曲線如圖3所示。利用大球差補(bǔ)償鏡對非球面進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后的返回波面在泰曼一格林干涉儀的數(shù)字相機(jī)(CCD)上得到的干涉圖仿真結(jié)果如圖4所示。圖5為利用大標(biāo)準(zhǔn)透鏡對非球面進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后的返回波面在泰曼一格林干涉儀的數(shù)字相機(jī)(CCD)上得到的干涉圖仿真結(jié)果?？梢钥吹?，利用大球差補(bǔ)償鏡對非球面進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后的返回波面在泰曼一格林干涉儀的數(shù)字相機(jī)(CCD)上得到的干涉圖的條紋間隔相對比較均勻，沒有非常窄的。而利用大標(biāo)準(zhǔn)透鏡對非球面迸行補(bǔ)償，補(bǔ)償后的返回波面在泰曼一格林干涉儀的數(shù)字相機(jī)(CCD)上得到的千涉圖條紋疏密像差懸殊，并且有非常密的條紋，從這么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(biāo)準(zhǔn)透鏡分別對二次拋物面進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果。表2利用大球差透鏡Ll和標(biāo)準(zhǔn)透鏡分別對二次拋ij勿面進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>可見，利用大球差補(bǔ)償鏡對口徑從150mm到550mm，相對口徑小于1.8的非球面進(jìn)行補(bǔ)償，可以很容易地使補(bǔ)償后的返回波面的峰谷值小于25個(gè)波長，總體上比用標(biāo)準(zhǔn)透鏡對非球面進(jìn)行補(bǔ)償?shù)玫降姆祷夭娴姆骞戎狄偷枚?。同時(shí)，如圖4及圖5所示，利用大球差補(bǔ)償鏡補(bǔ)償后得到的干涉圖比用標(biāo)準(zhǔn)透鏡補(bǔ)償?shù)玫降母缮鎴D的條紋間隔更稀疏一些，并沒有像圖5中的很密的條紋，有利于對條紋的處理及波前的提取。權(quán)利要求1.一種可實(shí)現(xiàn)非球面通用化檢測的大球差補(bǔ)償鏡，其特征在于具有雙分離鏡片(3)，雙分離鏡片(3)具有兩個(gè)依次排列的同軸球面負(fù)透鏡(1)、正透鏡(2)，負(fù)透鏡(1)為凸凹球面透鏡、正透鏡(2)為凸凸球面透鏡。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實(shí)現(xiàn)非球面通用化檢測的大球差補(bǔ)償鏡，其特征在于，所述的負(fù)透鏡(1)的凸曲面曲率半徑范圍為6066mm，厚度范圍為614mm,凹曲面曲率半徑范圍為3847mm，玻璃材料為F3，口徑范圍為4060mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實(shí)現(xiàn)非球面通用化檢測的大球差補(bǔ)償鏡，其特征在于，所述的正透鏡(2)的第一凸曲面曲率半徑范圍為6066mm，厚度范圍為614mm，第二凸曲面曲率半徑范圍為-220-270mm,玻璃材料為BK7，口徑范圍為4060mm，其中，第一凸曲面靠近負(fù)透鏡(1)凹曲面。4.一種利用大球差補(bǔ)償透鏡進(jìn)行非球面的通用化檢測裝置，其特征在于，在同一光軸上依次設(shè)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(gè)同軸依次排列的負(fù)透鏡(1)、正透鏡(2)，負(fù)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(shè)有數(shù)字相機(jī)(7)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種利用大球差補(bǔ)償透鏡進(jìn)行非球面的通用化檢測裝置，其特征在于，所述的負(fù)透鏡(1)的凸曲面曲率半徑范圍為6066mm，厚度范圍為614mm，凹曲面曲率半徑范圍為3847mm,玻璃材料為F3，口徑范圍為4060mm。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種利用大球差補(bǔ)償透鏡進(jìn)行非球面的通用化檢測裝置，其特征在于，所述的正透鏡(2)的第一凸曲面曲率半徑范圍為6066mm，厚度范圍為614mm，第二凸曲面曲率半徑范圍為-220-270mm，玻璃材料為BK7，口徑范圍為4060mm，其中，第一凸曲面靠近負(fù)透鏡(1)凹曲面。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種利用大球差補(bǔ)償透鏡進(jìn)行非球面的通用化檢測裝置，其特征在于，所述的波前檢測儀器6為泰曼一格林干涉儀或剪切干涉全文摘要本發(fā)明公開了一種可實(shí)現(xiàn)非球面通用化檢測的大球差補(bǔ)償透鏡結(jié)構(gòu)及其裝置。大球差補(bǔ)償鏡具有雙分離鏡片，雙分離鏡片具有兩個(gè)依次排列的同軸球面負(fù)透鏡、正透鏡，負(fù)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(bǔ)償透鏡進(jìn)行非球面的通用化檢測裝置在同一光軸上依次設(shè)有大球差補(bǔ)償透鏡、出瞳、波前檢測儀器，在波前檢測儀器中設(shè)有數(shù)字相機(jī)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果主要體現(xiàn)在其可以實(shí)現(xiàn)非球面的通用化檢測，即大球差補(bǔ)償鏡可以在不同環(huán)帶產(chǎn)生較大的球差，一定程度上補(bǔ)償非球面的縱向法線像差，使補(bǔ)償后的非球面波前不超過波前檢測儀器的分辨能力；利用一個(gè)大球差補(bǔ)償鏡即可對多個(gè)非球面達(dá)到補(bǔ)償目的，從而實(shí)現(xiàn)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(yōu)先權(quán)日2007年11月8日發(fā)明者東劉,卓永模,楊甬英申請人:浙江大學(xué)