CN101241232A - 可实现非球面通用化检测的大球差补偿镜及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现非球面通用化检测的大球差补偿透镜结构及其装置。大球差补偿镜具有双分离镜片，双分离镜片具有两个依次排列的同轴球面负透镜、正透镜，负透镜为凸凹球面透镜、正透镜为凸凸球面透镜。利用大球差补偿透镜进行非球面的通用化检测装置：在同一光轴上依次设有大球差补偿透镜、出瞳、波前检测仪器，在波前检测仪器中设有数字相机。本发明与现有技术相比具有的有益效果主要体现在其可以实现非球面的通用化检测，即大球差补偿镜可以在不同环带产生较大的球差，一定程度上补偿非球面的纵向法线像差，使补偿后的非球面波前不超过波前检测仪器的分辨能力；利用一个大球差补偿镜即可对多个非球面达到补偿目的，从而实现通用化检测。

Description

可实现非球面通用化检测的大球差补偿镜及其装置

技术领域

本发明涉及一种可实现非球面通用化检测的大球差补偿透镜结构及其装置。

背景技术

非球面检测是光学检测领域的一项非常重要的内容。由于非球面在提供足够的像差控制自由度、提高系统质量的同时，可以减小系统的尺寸、重量以及复杂程度，所以其已广泛应用于国防、工业及民用等诸多领域。但是光学设计人员在进行光学系统设计时目前仍然尽量避免采用具有大口径、大相对口径的非球面，其重要原因在于这类非球面比较难于检测。

目前一般采用计算全息法(Computer Generated Holograms)和补偿法等两种方法来检验非球面。计算全息法需要制作高精度的计算全息片，使该全息片的衍射波前与被检非球面的理论面型完全相符，实现零位检测。这种检测方法对各器件的加工及其在系统中的位置要求比较高，特别是计算全息片(ComputerGenerated Hologram，缩写为CGH)的加工及位置，稍有偏差就会给检测结果带来很大影响。补偿法通过补偿镜把平面或球面波转换为与被测非球面理论面型完全吻合的非球面波前，之后再利用其它波前检测仪器检测。常用的有Offner、Dall等补偿法。上面两种方法由于都需要产生一个与被测非球面理论面型完全吻合的波面，只能实现一对一的或者说同轮廓的检测，对每一个被测非球面都要设计一个零位器件，即计算全息片(CGH)或一个补偿透镜，不能实现通用化检测。并且零位器件的设计、加工及调整等都相当复杂，消耗的费用及时间都是非常大的。

针对目前非球面基本上是一对一检测，且需要的零位器件在设计、加工及调整等方面都相当复杂，本发明提出了一种具有较大球差的补偿透镜及其装置，在不同孔径环带产生特定大球差，以补偿被测非球面的纵向法线像差，配以计算机软件建模，实现非球面的通用化检测。大球差补偿镜结构简单，加工成本较低，且装调容易。通过一个大球差透镜即可实现对一系列非球面透镜的补偿，可以实现非球面的通用化检测。

发明内容

本发明的目的是提出一种可实现非球面通用化检测的大球差补偿镜结构及其装置。

可实现非球面通用化检测的大球差补偿镜具有双分离镜片，双分离镜片具有两个依次排列的同轴球面负透镜、正透镜，负透镜为凸凹球面透镜、正透镜为凸凸球面透镜。

利用大球差补偿透镜进行非球面的通用化检测装置：在同一光轴上依次设有双分离镜片、出瞳、波前检测仪器，双分离镜片具有两个同轴依次排列的负透镜、正透镜，负透镜为凸凹球面透镜、正透镜为凸凸球面透镜，在波前检测仪器中设有数字相机。

所述的负透镜1的凸曲面曲率半径范围为60～66mm，厚度范围为6～14mm，凹曲面曲率半径范围为38～47mm，玻璃材料为F3，口径范围为40～60mm。正透镜2的第一凸曲面曲率半径范围为60～66mm，厚度范围为6～14mm，第二凸曲面曲率半径范围为-220～-270mm，玻璃材料为BK7，口径范围为40～60mm，其中，第一凸曲面靠近负透镜(1)凹曲面。所述的波前检测仪器6为泰曼-格林干涉仪或剪切干涉仪。

本发明与现有技术相比具有的有益效果主要体现在其可以实现非球面的通用化检测，即大球差补偿镜可以在不同环带产生较大的球差，一定程度上补偿非球面的纵向法线像差，使补偿后的非球面波前不超过波前检测仪器的分辨能力；利用一个大球差补偿镜即可对多个非球面达到补偿目的，从而实现通用化检测。

附图说明

图1是大球差补偿透镜的基本结构；

图2是利用大球差补偿透镜进行非球面的通用化检测装置的原理图；

图3是针对相对口径为1∶2的二次非球面的大球差补偿透镜的球差曲线图；

图4是计算的利用大球差补偿镜补偿非球面后的返回波面在泰曼-格林干涉仪的数字相机(CCD)上得到的干涉图；

图5是计算的利用标准透镜补偿非球面后的返回波面在泰曼-格林干涉仪的数字相机(CCD)上得到的干涉图；

具体实施方式

如图1所示，可实现非球面通用化检测的大球差补偿镜具有双分离镜片3，双分离镜片3具有两个依次排列的同轴球面负透镜1、正透镜2，负透镜1为凸凹球面透镜、正透镜2为凸凸球面透镜。

所述的负透镜1的凸曲面曲率半径范围为60～66mm，厚度范围为6～14mm，凹曲面曲率半径范围为38～47mm，玻璃材料为F3，口径范围为40～60mm。正透镜2的第一凸曲面曲率半径范围为60～66mm，厚度范围为6～14mm，第二凸曲面曲率半径范围为-220～-270mm，玻璃材料为BK7，口径范围为40～60mm，其中，第一凸曲面靠近负透镜(1)凹曲面。

大球差补偿镜的设计要求为：记录在波前检测仪器6中的数字相机7上的干涉条纹不超过检测仪器的极限分辨能力。对于利用数字相机(CCD)7来记录干涉条纹的波前检测仪器6来说，仪器的极限分辨能力主要是仪器所采用的位相解调方法对条纹间隔的限制，即限定了最小条纹宽度的下限及最大条纹宽度的上限，用公式表示即为

$\left\{\begin{array}{c}{|1/\frac{\&PartialD;W}{\&PartialD;x}|}_{\min }>N_{\min }\\ {\left|\right|1/\frac{\&PartialD;W}{\&PartialD;x}\left|\right|}_{\max }<N_{\max }\end{array}\right.$ 或者写为 $\left\{\begin{array}{c}{\left|\frac{\&PartialD;W}{\&PartialD;x}\right|}_{\min }<1/N_{\min }\\ {\left|\right|\frac{\&PartialD;W}{\&PartialD;x}\left|\right|}_{\max }>1/N_{\max }\end{array}\right..---\left(1\right)$

其中，W为从系统出瞳5进入波前检测仪器6到达数字相机(CCD)7的波前，x为数字相机(CCD)检测到的干涉条纹间隔极值的方向，N_min为最小条纹宽度的下限，N_max为最大条纹宽度的上限。

由于从系统出瞳5进入波前检测仪器6到达数字相机(CCD)7的波前W一般都是系统出瞳5处的波前W_a加上一个相位调制波前W_mod，则(1)式要改写为

$\left\{\begin{array}{c}{|1/(\frac{{\&PartialD;W}_a}{\&PartialD;x}+\frac{{\&PartialD;W}_{\mathrm{mod}}}{\&PartialD;x})|}_{\min }>N_{\min }\\ {\left|\right|1/(\frac{{\&PartialD;W}_a}{\&PartialD;x}+\frac{{\&PartialD;W}_{\mathrm{mod}}}{\&PartialD;x})\left|\right|}_{\max }<N_{\max }\end{array}\right.$ 或者写为 $\left\{\begin{array}{c}{\left|\frac{{\&PartialD;W}_a}{\&PartialD;x}+\frac{{\&PartialD;W}_{\mathrm{mod}}}{\&PartialD;x}\right|}_{\min }<{1/N}_{\min }\\ {\left|\right|\frac{{\&PartialD;W}_a}{\&PartialD;x}+\frac{{\&PartialD;W}_{\mathrm{mod}}}{\&PartialD;x}\left|\right|}_{\max }>1/N_{\max }\end{array}\right..---\left(2\right)$

相位调制波前W_mod主要由相位调制方式决定，主要有线性载波方式、环形载波方式、移相式及无载波方式等。

利用图1所示的初始结构，再把(2)式作为大球差补偿透镜的光学设计约束条件，即可得到所需要的真正的大球差补偿透镜的具体参数。

由于约束条件仅为数字相机(CCD)7记录的条纹宽度在某一个范围内，且一般均为较大的一个范围，这将允许对于一个非球面有多个结构满足要求；同样，由于约束条件较为宽松，利用一个大球差补偿透镜可以实现一系列非球面的检测，真正实现通用化。

如图2所述，利用大球差补偿透镜进行非球面的通用化检测装置是在同一光轴上依次设有双分离镜片3、出瞳5、波前检测仪器6，双分离镜片3具有两个同轴依次排列的负透镜1、正透镜2，负透镜1为凸凹球面透镜、正透镜2为凸凸球面透镜，在波前检测仪器6中设有数字相机7。

所述的波前检测仪器6为泰曼-格林干涉仪或剪切干涉仪。

利用本发明之大球差补偿镜检验非球面的步骤如下：

1)首先调整大球差补偿镜和被测非球面的相对位置，使大球差补偿镜的近轴焦点与被测非球面的顶点球球心大致重合。这样，平行光经过大球差透镜后产生较大球差，入射到被测非球面后，反射的光又一次通过大球差透镜并传播至系统的出瞳。

2)选取现有的任意一种波前检测仪器，如泰曼-格林干涉仪、剪切干涉仪等，检测出瞳处的波前。

3)利用仿真软件，结合整个光路、非球面理论面型及大球差补偿镜，根据2)中选定的波前检测仪器，模拟出瞳处的理论波前。

4)调整被测非球面，使测得的实际波前与3)中模拟的理论波前尽可能接近。

5)当4)中实际波前与模拟的理论波前最接近时，实际波前与理论波前的偏差即为非球面的面型偏差。

由于理论波前是由整个光路、非球面理论面型及大球差补偿镜4共同作用产生的，故其可统称为系统误差。这样经过上面5个步骤得到的非球面面型偏差即为去除了系统误差的被测非球面的面型误差。

由于不要求大球差补偿镜产生的纵向球差与非球面本身的纵向法线像差完全吻合，只要能使他们的偏差在一定范围之内，满足检测仪器的极限分辨能力即可，所以该大球差补偿镜可以实现对非球面的通用化检测。

实施例

针对相对口径为1∶1.8到1∶3.0的二次非球面进行了大球差补偿透镜的设计，并叙述了检测时的具体操作方法。

大球差补偿透镜采用图一所示的初始结构，口径为50mm。如图5所示，为满足位相解调数据处理要求，限制干涉条纹的宽度为2～20个象素，即在公式(2)中， $\frac{{\&PartialD;W}_{\mathrm{mod}}}{\&PartialD;x}=0,$ N_min＝2，N_max＝20，则

$\left\{\begin{array}{c}{|1/\frac{{\&PartialD;W}_a}{\&PartialD;x}|}_{\min }>2\\ {|1/\frac{{\&PartialD;W}_a}{\&PartialD;x}|}_{\max }<20\end{array}\right.,$

即 $\frac{1}{20}<\frac{{\&PartialD;W}_a}{\&PartialD;x}<\frac{1}{2}.$

把上式作为约束条件在光学设计软件(如ZEMAX)中作为主要操作控制变量，并设定其权重高于其它操作控制变量一个数量级以上。

为了加快收敛，加入另外一组约束条件，即入射到非球面表面的光线的入射角尽量小，即趋近于0。该项约束在光学设计软件(如ZEMAX)中也是可以设置的，权重比上面的条纹间隔约束少一个数量级即可。

这样便可得到一组针对相对口径为1∶1.8到1∶3.0的二次非球面的大球差补偿透镜(以下简称大球差镜L1)，其结构参数如表1所示：

表1针对相对口径1∶1.8到1∶3.0的二次非球面的、可实现非球面通用化检测的大球差补偿透镜结构参数(单位：毫米)

大球差镜L1的球差曲线如图3所示。

利用大球差补偿镜对非球面进行补偿，补偿后的返回波面在泰曼-格林干涉仪的数字相机(CCD)上得到的干涉图仿真结果如图4所示。图5为利用大标准透镜对非球面进行补偿，补偿后的返回波面在泰曼-格林干涉仪的数字相机(CCD)上得到的干涉图仿真结果。可以看到，利用大球差补偿镜对非球面进行补偿，补偿后的返回波面在泰曼-格林干涉仪的数字相机(CCD)上得到的干涉图的条纹间隔相对比较均匀，没有非常窄的。而利用大标准透镜对非球面进行补偿，补偿后的返回波面在泰曼-格林干涉仪的数字相机(CCD)上得到的干涉图条纹疏密像差悬殊，并且有非常密的条纹，从这么密的条纹中几乎是无法提前波前信息的。

表2为利用大球差透镜L1和标准透镜分别对二次抛物面进行补偿的结果。

表2利用大球差透镜L1和标准透镜分别对二次抛物面进行补偿的结果

可见，利用大球差补偿镜对口径从150mm到550mm，相对口径小于1.8的非球面进行补偿，可以很容易地使补偿后的返回波面的峰谷值小于25个波长，总体上比用标准透镜对非球面进行补偿得到的返回波面的峰谷值要低得多。同时，如图4及图5所示，利用大球差补偿镜补偿后得到的干涉图比用标准透镜补偿得到的干涉图的条纹间隔更稀疏一些，并没有像图5中的很密的条纹，有利于对条纹的处理及波前的提取。

Claims (7)

1. 一种可实现非球面通用化检测的大球差补偿镜，其特征在于具有双分离镜片(3)，双分离镜片(3)具有两个依次排列的同轴球面负透镜(1)、正透镜(2)，负透镜(1)为凸凹球面透镜、正透镜(2)为凸凸球面透镜。

2. 根据权利要求1所述的一种可实现非球面通用化检测的大球差补偿镜，其特征在于，所述的负透镜(1)的凸曲面曲率半径范围为60～66mm，厚度范围为6～14mm，凹曲面曲率半径范围为38～47mm，玻璃材料为F3，口径范围为40～60mm。

3. 根据权利要求1所述的一种可实现非球面通用化检测的大球差补偿镜，其特征在于，所述的正透镜(2)的第一凸曲面曲率半径范围为60～66mm，厚度范围为6～14mm，第二凸曲面曲率半径范围为-220～-270mm，玻璃材料为BK7，口径范围为40～60mm，其中，第一凸曲面靠近负透镜(1)凹曲面。

4. 一种利用大球差补偿透镜进行非球面的通用化检测装置，其特征在于，在同一光轴上依次设有双分离镜片(3)、出瞳(5)、波前检测仪器(6)，双分离镜片(3)具有两个同轴依次排列的负透镜(1)、正透镜(2)，负透镜(1)为凸凹球面透镜、正透镜2为凸凸球面透镜，在波前检测仪器(6)中设有数字相机(7)。

5. 根据权利要求4所述的一种利用大球差补偿透镜进行非球面的通用化检测装置，其特征在于，所述的负透镜(1)的凸曲面曲率半径范围为60～66mm，厚度范围为6～14mm，凹曲面曲率半径范围为38～47mm，玻璃材料为F3，口径范围为40～60mm。

6. 根据权利要求4所述的一种利用大球差补偿透镜进行非球面的通用化检测装置，其特征在于，所述的正透镜(2)的第一凸曲面曲率半径范围为60～66mm，厚度范围为6～14mm，第二凸曲面曲率半径范围为-220～-270mm，玻璃材料为BK7，口径范围为40～60mm，其中，第一凸曲面靠近负透镜(1)凹曲面。

7. 根据权利要求4所述的一种利用大球差补偿透镜进行非球面的通用化检测装置，其特征在于，所述的波前检测仪器6为泰曼-格林干涉仪或剪切干涉仪。

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