檢測范圍廣的凹非球面的實時檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種檢測范圍廣的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于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(zhuǎn)化為直角坐標下的形式；使用數(shù)字波面干涉儀測量出非球面相對于拋物面的波像差，將實際波像差的矩陣和理論波像差的矩陣統(tǒng)一到同一坐標系下，讓兩個波像差的像素一一對應，然后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(fā)明具有快速、準確、檢測范圍廣等優(yōu)點，具有廣闊的市場前景。
【專利說明】檢測范圍廣的凹非球面的實時檢測方法
[0001]本申請是申請?zhí)?201210521650.1、申請日:2012.12.07，名稱“近拋物面的旋轉(zhuǎn)
軸對稱凹非球面的實時檢測方法”。
【技術領域】
[0002]本發(fā)明屬于先進光學制造和檢測【技術領域】。
技術背景
[0003]近拋物面的旋轉(zhuǎn)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采用干涉檢測技術。在該項技術中，無像差點檢測、零位補償干涉檢測技術廣泛應用于非球面拋光階段的面形檢測。
[0004]所謂的無像差點檢測是指根據(jù)費馬原理，光線從一點傳到另外一點，經(jīng)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。
[0005]此類無像差點檢測方法具有一定的缺點，具體表現(xiàn)在無像差點檢測主要用于檢測旋轉(zhuǎn)軸對稱二次曲面，不能檢測旋轉(zhuǎn)軸對稱高次曲面。
[0006]零位補償干涉檢測技術是指利用光學設計軟件，如ZEMAX，CODE V等，設計一種帶有特定波像差的光學系統(tǒng)，稱之為零位補償器，其中的零位補償器的設計是基于理想非球面的，檢驗光束經(jīng)由數(shù)字波面干涉儀出射至補償器，光束經(jīng)過補償器再經(jīng)被檢非球面反射，再次經(jīng)過補償器后回到干涉儀，從而實現(xiàn)待檢非球面元件面形的檢測。
[0007]此類零位補償檢測不但能夠檢測旋轉(zhuǎn)軸對稱二次非球面也可以檢測旋轉(zhuǎn)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(xiàn)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(chǎn)生鬼像，而導致衍射環(huán)的出現(xiàn)，并由于補償器其中某些元件的反射光與參考光發(fā)生相互干涉，從而在像面上出現(xiàn)一些偽干涉條紋，由于這些偽干涉條紋與檢測光同時發(fā)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(diào)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(diào)整復雜，耗時。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種方便、準確的近拋物面的旋轉(zhuǎn)軸對稱凹非球面的實時檢測方法。
[0009]本發(fā)明的技術解決方案是:
[0010]一種近拋物面的旋轉(zhuǎn)軸對稱凹非球面的實時檢測方法，其特征是:利用光學設計軟件，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)相對于最接近拋物面的波像差，稱為非球面相對于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(zhuǎn)化為直角坐標下的形式；使用數(shù)字波面干涉儀(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于拋物面的波像差，稱為非球面相對于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(jù)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(jù)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(zhuǎn)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(tǒng)一到同一坐標系下，讓兩個波像差的像素一一對應，然后將兩個波像差的矢高做差法運算，即Δ Z=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(xiàn)對近拋物面的旋轉(zhuǎn)軸對稱凹非球面的實時檢測。
[0011]標準平面鏡口徑不小于待測非球面鏡口徑，標準平面鏡中心開中心孔，中心孔的大小不大于凹非球面中心盲區(qū)的大小。
[0012]數(shù)字波面干涉儀能夠用自準直法測量出待測光學非球面相對于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。
[0013]本發(fā)明不僅克服了無像差點不能檢測旋轉(zhuǎn)軸對稱高次非球面，也克服了傳統(tǒng)零位補償檢驗中補償器專用性，裝調(diào)復雜、耗時等缺點，只需要大于等于待檢非球面鏡口徑的標準平面鏡，具有快速、準確、檢測范圍廣等優(yōu)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于數(shù)字波面干涉儀內(nèi)CCD陣列像元的大小和數(shù)目。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0015]圖1是本發(fā)明的工作原理圖。
[0016]圖2是本發(fā)明雙曲面相對于最接近拋物面的理論波像差圖。
[0017]圖3是本發(fā)明雙曲面檢測光路圖。
[0018]圖4是本發(fā)明雙曲面相對于最接近拋物面的實際波像差圖。
[0019]圖5是本發(fā)明實際雙曲面面形與理論面形的殘差分布圖。
【具體實施方式】
[0020]一種近拋物面的旋轉(zhuǎn)軸對稱凹非球面的實時檢測方法，其特征是:利用光學設計軟件，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)相對于最接近拋物面的波像差，稱為非球面相對于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(zhuǎn)化為直角坐標下的形式；使用數(shù)字波面干涉儀(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于拋物面的波像差，稱為非球面相對于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(jù)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(jù)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(zhuǎn)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(tǒng)一到同一坐標系下，讓兩個波像差的像素一一對應，然后將兩個波像差的矢高做差法運算，即Δ Z=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(xiàn)對近拋物面的旋轉(zhuǎn)軸對稱凹非球面的實時檢測。
[0021]標準平面鏡口徑不小于待測非球面鏡口徑，標準平面鏡中心開中心孔，中心孔的大小不大于凹非球面中心盲區(qū)的大小。
[0022]數(shù)字波面干涉儀能夠用自準直法測量出待測光學非球面相對于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。
[0023]利用光學設計軟件，如ZEMAX，CODE V等，對近拋物面的旋轉(zhuǎn)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，得到非球面相對于最接拋物面的理論波像差如圖3所示。
[0024]利用數(shù)字波面干涉儀I檢測待檢非球面，2為干涉儀鏡頭，3為待檢非球面鏡，4為標準平面鏡。標準平面鏡置于干涉儀鏡頭與待檢非球面鏡之間，到干涉儀鏡頭焦點的距離小于rd/(2D)的范圍均可，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(diào)整的方便通常將標準平面鏡置于干涉儀鏡頭焦點前，如圖2所示。從而得到待測非球面3相對于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。
[0025]將實際波像差的矩陣和理論波像差的矩陣統(tǒng)一到同一坐標系下，讓兩個波像差的像素一一對應，然后將兩個波像差的矢高做差法運算，即Λζ=ζ’ -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】
1.一種檢測范圍廣的凹非球面的實時檢測方法，其特征是:用平面自準直法仿真出凹非球面相對于最接近拋物面的波像差，即非球面相對于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，y=rsin θ，將極坐標下的zernike方程轉(zhuǎn)化為直角坐標下的形式；使用數(shù)字波面干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于拋物面的波像差，即非球面相對于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(jù)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(jù)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(zhuǎn)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(tǒng)一到同一坐標系下，讓兩個波像差的像素一一對應，然后將兩個波像差的矢高做差法運算，即Λζ=ζ’ -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(xiàn)對近拋物面的旋轉(zhuǎn)軸對稱凹非球面的實時檢測；所述使用數(shù)字波面干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于干涉儀球面鏡頭與待檢非球面鏡之間，標準平面鏡到干涉儀鏡頭焦點的距離小于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；標準平面鏡口徑不小于待測非球面鏡口徑，標準平面鏡中心開中心孔，中心孔的大小不大于凹非球面中心盲區(qū)的大小；利用光學設計軟件對近拋物面的旋轉(zhuǎn)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，得到非球面相對于最接拋物面的理論波像差。
【文檔編號】G01B11/24GK103471522SQ201310413646
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年12月7日 優(yōu)先權日:2012年12月7日
【發(fā)明者】潘寶珠, 湯靖, 趙永林, 李雅麗, 邵旭萍, 施建珍 申請人:南通大學