CN101876540A - 基于多波前透镜补偿器的非球面绝对测量系统 - Google Patents

Abstract

基于多波前透镜补偿器的非球面绝对测量系统包括相移干涉仪、标准镜头、由多个光学元件或元件组构成的多波前透镜补偿器、电控调整装置及驱动器、被测非球面光学元件、六维调整架、电控平移台及驱动器、计算机控制及数据处理系统。本发明通过多次干涉测量实现误差分离以提高非球面光学元件面形检测精度，同时具有一定的柔性测量范围，具有较大的应用价值。

Description

基于多波前透镜补偿器的非球面绝对测量系统

技术领域

本发明涉及一种非球面绝对测量系统及测量方法，属于先进光学制造与检测技术领域。

技术背景

高精度光学元件的制造需要相应的检测技术，高精度面形检测技术仍然面临巨大挑战。数字相移干涉仪为目前面形检测的主流设备。干涉测量的基本原理是携带有被测光学元件面形误差信息的测试波前与参考波前发生干涉，进而对干涉图进行数据处理以计算出反映测量误差信息的相位值，通过将参考波前作为理想的测量“标尺”进行相对测量，因此干涉仪面形检测精度主要受到参考波前精度影响。绝对测量方法通过对多次干涉相对测量结果进行数据处理以分离出被测光学元件面形误差信息，是一种提升干涉检测精度的有效手段。

球面绝对测量方法相对较成熟，在高精度干涉测量中应用较广泛。常用的球面绝对测量方法有三位置法、随机球法和平移旋转法。A.E.Jensen(A.E.Jensen，“Absolutecalibration method for laser Twyman-Green wave-front testing interferometers，”J.Opt.Soc.Am.63：1313A，1973.)提出了一种可实现球面绝对测量的三位置法，该方法对被测球面光学元件在共焦位置、旋转180度后共焦位置、“猫眼”位置进行相对测量，然后通过数据处理分离出被测球面光学元件面形误差。L.A.Selberg(L.A.Selberg，“Absolute testing of spherical surfaces，”Optical Fabrication and TestingWorkshop，OSA Technical Digest Series 13，181-184，1994.)将上述三位置法扩展为五位置法，该方法在被测球面光学元件共焦位置0、90、180、270度四个位置和“猫眼”位置进行相对测量，然后通过数据处理分离出被测球面光学元件面形误差，该方法可以一定程度上减小被测光学元件在旋转过程中调整误差影响。三位置法主要缺点在于采用“猫眼”测量位置，测试波前将在该位置发生光路反转导致不满足共光路条件；此外猫眼位置对调整误差不敏感，其调整误差将导致数据处理过程中出现错误的坐标匹配，进而产生不准确的计算结果。P.E.Parks等人(P.E.Parks，C.J.Evans，L.Shao，“Calibration ofinterferometer transmission spheres，”，Optical Fabrication and Testing Workshop，OSA Technical Digest Series 12，80-83，1998.)提出了一种标定标准镜头面形误差的随机球法，该方法通过对一个标定球在大量随机位置进行相对测量，然后进行平均数据处理，标定球的误差随着测量次数的增加趋于零，平均处理结果将主要反映标准镜头面形误差信息。Ulf Griesmann等人(Ulf Griesmann，Quandou wang，Johannes Soons，et al.“A simpleball average for reference sphere calibrations”，Proc.SPIE，5869：58690S1-S8，2005.)报道了一种随机球法的实施装置。随机球法只能用于产生会聚光束的凹标准镜头的误差标定。Bernd Dorband等人(Bernd Dorband，Günther Seitz，“Interferometric testing ofoptical surfaces at its current limit”，Optik，112(9)：392-398，2001.)报道了一种平移旋转法，该方法对被测球面光学元件在共焦位置不同旋转角度和横向平移时进行相对测量，通过数据处理分别计算出被测球面光学元件面形误差的旋转对称和非对称部分，然后合成上述计算结果即可得到被测光学元件面形误差信息。平移旋转法避免使用“猫眼”位置，且具有非常大的应用范围。

关于非球面绝对测量方法的报道相对较少，其测量流程和数据处理更加复杂。MathiasBeyerlein等人(Mathias Beyerlein，Norbert Lindlein，Johannes Schwider，“Dual-wave-front computer-gernerated holograms for quasi-absolute testing ofaspherics”，Applied Optics，41(13)：2440-2447，2002.)将三位置球面绝对测量方法基本原理扩展到非球面测量中，提出了一种基于双波前全息片的准绝对测量方法，该双波前全息片可以分别产生非球面波前和球面波前，并给出了具体的双波前全息片设计方法。Stephan Reichelt等人(Stephan Reichelt，Christor Pruss，Hans J.Tixiani，“Absoluteinterferometric test of aspheres by use of twin computer-generatedholograms”，Applied Optics，42(22)：4468-4479，2003.)报道了一种基于双计算全息片的非球面绝对测量方法，其具有透射配置和反射配置，并给出了分离非球面面形误差的数据处理方法。Klaus Mantel等人(Klaus Mantel，Eduard Geist，Irina Harder，et al.Interferometric quasi-absolute tests for aspherics using a radial shearposition，Optics Letters，34(20)：3178-3180，2009.)提出了一种采用半径剪切位置的非球面准绝对测量方法，该方法通过双波前计算全息片在光轴方向两个不同位置产生与被测非球面面形匹配的测试波前，结合多角度旋转测量通过数据处理方法分离出被测非球面面形的旋转对称和非对称部分，然后组合旋转对称和非对称部分数据即可得到被测非球面面形信息。该方法的主要不足在于双波前计算全息片的光刻结构误差在光轴方向两个不同位置测试时对检测结果具有不同的影响。

综上所述，绝对测量方法是一种提高面形干涉检测精度的有效方法，球面绝对测量方法应用较广泛，非球面绝对测量方法的测量流程和数据处理更加复杂。现有的非球面绝对测量方法主要基于双波前计算全息片在光轴方向不同位置进行零检测，然后进行数据处理以获得被测非球面面形信息；对于不同的非球面需要不同的计算全息片。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出了一种基于多波前透镜补偿器的非球面绝对测量系统及测量，可以通过标定多波前透镜补偿器和精确仿真分析不同轴向位置检测时所产生回程误差影响以实现非球面的绝对测量，同时可避免现有方法所采用的双波前计算全息片的专用性问题，具有一定的柔性测量范围。

本发明的技术解决方案：基于多波前透镜补偿器的非球面绝对测量系统包括相移干涉仪、标准镜头、由多个光学元件或元件组构成的多波前透镜补偿器、电控调整装置及驱动器、被测非球面光学元件、六维调整架、电控平移台及驱动器、计算机控制及数据处理系统。通过计算机控制及数据处理系统控制安装在电控调整装置上的多波前透镜补偿器各个光学元件或元件组之间的间隔，使得相移干涉仪标准镜头出射的测试光通过多波前透镜补偿器后在光轴方向二个不同位置产生与被测非球面光学元件(8)匹配的非球面测试波前。通过六维调整架对被测非球面光学元件在第一个轴向位置多次旋转不同角度，由相移干涉仪进行测量，然后通过计算机控制控制及数据处理系统控制电控平移台使得安装在六维调整架上的被测非球面光学元件沿着光轴方向移动到另一个与透镜补偿器出射非球面波前相匹配的位置并旋转不同角度，由相移干涉仪进行多次干涉测量。多波前透镜补偿器通常为零透镜补偿器，即标准镜头出射的测试波前通过透镜补偿器后转换为与被测非球面光学元件理论形状相一致的测试波前。多波前透镜补偿器也可采用部分补偿器，即标准镜头出射的测试波前通过透镜补偿器后转换为与被测非球面光学元件理论面形相接近的测试波前，与理论面形的残余波像差所导致的较高密度干涉图可以被相移干涉仪完全分辨，该残余波像差通过光学设计软件仿真和数据处理方法去除。多波前透镜补偿器中所有光学元件面形误差采用至少两种以上球面绝对测量方法进行精确标定，球面标定方法可选用随机球法、三位置法或平移旋转法。各个光学元件的光学材料均匀性、曲率半径、中心厚度、等参数需要准确测量，可以通过相移干涉仪、曲率半径干涉仪和中心厚度测量仪准确测量。多波前透镜补偿器在光轴方向不同位置产生与被测非球面光学元件相匹配的测试波前时，由标准镜头出射的测试光在多波前透镜补偿器中所走光路不同，将产生一定的回程误差。根据准确检测的多波前透镜补偿器各个光学元件基本参数，由光学设计软件对其进行仿真分析，通过计算机控制及数据处理系统对两个不同轴向测量位置和采用部分补偿器所产生的回程误差影响予以去除。最后对上述多次干涉测量结果由计算机控制及数据处理系统进行数据处理分离出被测非球面光学元件面形误差信息，实现绝对测量。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的系统中采用多波前透镜补偿器，具有一定的柔性测量范围，避免与被测非球面面形相匹配的双波前计算全息片的专用性。

(2)本发明的系统中对多波前透镜补偿器自身误差进行准确标定，可以提高系统检测精度。

(3)本发明的多波前透镜补偿器采用球面光学元件，容易制造，且可以确保多波前透镜补偿器的标定精度和回程误差仿真分析的准确性。

(4)本发明利用光学设计软件根据多波前透镜补偿器各个元件基本参数对不同光轴方向位置测量时产生的回程位置影响进行仿真分析，对其影响予以去除，可以提高系统检测精度。

(5)本发明可以采用基于全补偿的零检测，也可以采用基于部分补偿的非零检测，具有较大的适用范围。

综上所述，本发明通过多波前透镜补偿器补偿被测非球面面形与参考波前的偏离以使得处于相移干涉仪的测量范围内，对多波前透镜补偿器自身误差进行标定，且对回程误差影响进行仿真分析并予以去除，具有较高的测量精度。本发明避免采用与被测非球面相匹配的专用双波前计算全息片，具有较大的测量范围。

附图说明

图1为本发明基于多波前透镜补偿器的凸非球面绝对测量系统示意图；

图2为本发明基于多波前透镜补偿器的凹非球面绝对测量系统示意图；

图3为本发明的六维调整架的结构图；

图4为本发明中的回程误差示意图；

图5为本发明的两次轴向位置测量时坐标关系示意图。

具体实施方式

图1为用于凸非球面检测的基于多波前透镜补偿器的非球面绝对测量系统，图2为用于凹非球面检测的示意图，本发明用于凹非球面和凸非球面检测的绝对测量系统除多波前透镜补偿器外其余结构完全相同。如图1和2所示，基于多波前透镜补偿器的非球面绝对测量系统，包括相移干涉仪1、标准镜头2、由多个光学元件或元件组3，4构成的多波前透镜补偿器5、电控调整装置6及电控调整装置驱动器7、被测非球面光学元件8、六维调整架9、电控平移台10及电控平台驱动器11、计算机控制及数据处理系统12。通过计算机控制及数据处理系统12控制安装在电控调整装置6上的多波前透镜补偿器5各个光学元件或元件组3，4之间的间隔，使得相移干涉仪1的标准镜头2出射的测试光通过多波前透镜补偿器5后在光轴方向二个不同位置产生与被测非球面光学元件8匹配的非球面测试波前。由六维调整架9装卡的被测非球面光学元件8可通过计算机控制及数据处理系统12通过电控平台驱动器11对与之连接的电控平移台10在光轴方向移动，被测非球面光学元件8移动位置与多波前透镜补偿器5所出射的测试波前相匹配。通过六维调整架9对被测非球面光学元件8在第一个轴向位置多次旋转不同角度由相移干涉仪1进行测量，然后通过计算机控制控制及数据处理系统12通过电控平台驱动器控制电控平移台10使得安装在六维调整架9上的被测非球面光学元件8沿着光轴方向移动到另一个与透镜补偿器5出射非球面波前相匹配的位置，并通过六维调整架9对被测非球面光学元件8旋转不同角度由相移干涉仪1进行多次干涉测量。相移干涉仪1对被测非球面光学元件8在上述光轴方向两个不同位置和不同旋转角度进行多次干涉检测，计算机控制及数据处理系统12控制被测非球面光学元件8处于上述不同位置和角度，位置由光学设计结果确定，角度通常以360度进行等分，然后进行数据处理以分离出被测非球面光学元件8面形误差的旋转对称部分和旋转非对称部分信息，将旋转对称部分和旋转非对称部分进行合成可得到被测非球面光学元件面形误差信息。

多波前透镜补偿器5根据被测非球面面形参数设计。多波前透镜补偿器5通常为零透镜补偿器，即标准镜头2出射的测试波前通过透镜补偿器后转换为与被测非球面光学元件8理论形状相匹配的测试波前。标准镜头2通常选用平面标准镜头以便于透镜补偿器在检测光路中调整，也可采用球面标准镜头。多波前透镜补偿器5也可采用部分补偿器，即标准镜头2出射的测试波前通过透镜补偿器后转换为与被测非球面光学元件8理论面形相接近的测试波前，与理论面形的残余波像差所导致的较高密度干涉图可以被相移干涉仪1完全分辨，该残余波像差通过光学设计软件仿真和数据处理方法去除。

多波前透镜补偿器5有至少2个以上光学元件或元件组3，4构成，光学元件采用容易制造和检测的球面光学元件，光学元件具有PV＜1/10波长(632.8nm)、rms＜1/50波长(632.8nm)较高面形精度。各个元件或元件组之间间隔通过电控调整装置(6)实现微米精度的调整，以使得通过透镜补偿器的测试波前在光轴方向不同位置与被测非球面光学元件面形和所处位置相匹配。

如图3所示，本发明中的六维调整架9由自定中心镜架91、绕光轴中心360度旋转转台92、二维倾斜调整架93和三维平移台94组成。安装在旋转转台上的自定中心镜架91用于装卡被测光学元件9，旋转转台92后面分别随次安装二维倾斜调整架93和三维平移台93。六维调整架9可以电控或手动调整。

多波前透镜补偿器5中所有光学元件面形误差采用至少两种以上球面绝对测量方法进行精确标定，球面标定方法可选用随机球法、三位置法或平移旋转法。三位置法(A.E.Jensen，“Absolute calibration method for laser Twyman-Green wave-front testinginterferometers，”J.Opt.Soc.Am.63：1313A，1973.)对被测球面光学元件在共焦位置、旋转180度后共焦位置、“猫眼”位置进行相对测量，然后通过数据处理分离出被测球面光学元件面形误差。随机球法(P.E.Parks，C.J.Evans，L.Shao，“Calibration ofinterferometer transmission spheres，”，Optical Fabrication and Testing Workshop，OSA Technical Digest Series 12，80-83，1998.)通过对一个标定球在大量随机位置进行相对测量，然后进行平均数据处理，标定球的误差随着测量次数的增加趋于零，平均处理结果将主要反映标准镜头面形误差信息。平移旋转法(Bernd Dorband，Günther Seitz，“Interferometric testing of optical surfaces at its currentlimit”，Optik，112(9)：392-398，2001.)对被测球面光学元件在共焦位置不同旋转角度和横向平移时进行相对测量，通过数据处理分别计算出被测球面光学元件面形误差的旋转对称和非对称部分，然后合成上述计算结果即可得到被测光学元件面形误差信息。

各个光学元件的光学材料均匀性、曲率半径、中心厚度、等参数需要准确测量。如图4所示，多波前透镜补偿器5在光轴方向不同位置产生与被测非球面光学元件相匹配的测试波前时，由标准镜头2出射的测试光在多波前透镜补偿器5中所走光路不同，将产生一定的回程误差。根据多波前透镜补偿器5各个光学元件基本参数的检测数据，由光学设计软件对其进行仿真分析，通过计算机控制及数据处理系统12对该回程误差影响予以去除。

本发明的检测步骤和数据处理流程如下：

第一步：根据被测非球面镜8的基本参数设计多波前透镜补偿器5，使得通过控制多波前透镜补偿器5的各个光学元件之间的间隔可以在光轴方向不同位置产生与被测非球面面形相匹配的测试波前。要求所设计的多波前透镜补偿器5结构简单，易于制造和装调，同时保证剩余波像差在相移干涉仪的测量范围内。多波前透镜补偿器5可以采用零补偿器和部分补偿器两种类型，零补偿器具有可达到纳米级的检测精度，但通用性受到一定限制；部分补偿器具有更大的适用范围，但需要对残余波像差进行数据处理予以去除。部分补偿器的设计与零补偿器的设计方法类似，它们的区别主要在于所补偿的波像差大小不相同。补偿器的设计、加工、检测和装调问题在专著“先进光学制造技术，杨力主编，科学出版社，p336-365，2001.”、“光学非球面的设计、加工与检验，潘君骅，苏州大学出版社，p42-51，2004”均有详细论述。部分补偿器的设计和残余波像差的数据处理方法可以参考朱秋东等在中国专利申请号“200410068823”“一种用部分补偿透镜实现非球面面形的干涉测量方法”中具体实施方式和刘慧兰等在“利用部分补偿透镜进行非球面面形测量”，北京理工大学学报，24卷7期625-628页所阐述的方法。

第二步：根据设计，对所制造的多波前透镜补偿器5的各个光学元件的面形、材料均匀性、曲率半径、中心厚度等基本参数分别用相移干涉仪、曲率半径干涉仪和中心厚度仪精确检测，确保达到设计要求。多波前补偿器5需要对各个光学元件的基本参数和补偿器系统误差进行标定。完成补偿器的装调，对补偿器系统误差进行标定。

第三步：按照图1和2所示结构搭建检测系统，进行仔细调整，让相移干涉仪1、标准镜头2、多波前透镜补偿器5和被测非球面光学元件8中心尽可能重合。

第四步：根据第一步设计结果，计算机控制及数据处理系统12通过电控调整架驱动器7控制电控调整架6使得多波前透镜补偿器5在光轴方向某一个位置产生与被测非球面光学元件8面形相匹配的测试波前。计算机控制及数据处理系统12通过电控平台驱动器11控制电控平移台10在光轴方向移动到与多波前透镜补偿器5相匹配的位置。

第五步：通过六维调整架9调整被测非球面光学元件8，使得相移干涉仪1所产生干涉条纹最少，由计算机控制和数据处理系统12进行测量并保存测量数据。通过六维调整架9让被测光学元件8绕光轴系方向进行等角度旋转，在每个旋转角度由计算机控制和数据处理系统12进行测量并保存测量数据；旋转角度可以分别为0度、90度、180度和270度；也可以30度为递增角度在12个旋转角度进行测量。旋转递增角度越小，所需测量时间越长，最终数据处理结果越准确，根据检测精度要求确定。

第六步：根据第一步设计结果，通过计算机控制及数据处理系统12控制电控调整架6使得多波前透镜补偿器5在光轴方向另一个位置产生与被测非球面光学元件8面形相匹配的测试波前。通过计算机控制及数据处理系统12控制电控平移台10在光轴方向移动到与多波前透镜补偿器相匹配的位置。

第七步：通过六维调整架9调整被测非球面光学元件8，使得相移干涉仪所产生干涉条纹最少，由计算机控制和数据处理系统12进行测量并保存测量数据。通过六维调整架9让被测光学元件8绕光轴系方向进行等角度旋转，在每个旋转角度由计算机控制和数据处理系统12进行测量并保存测量数据。

第八步：在相移干涉仪1完成对被测非球面光学元件8在光轴方向不同位置和不同旋转角度进行多次干涉检测后，由计算机控制及数据处理系统12对上述测量结果进行数据处理以分离出被测非球面光学元件8面形误差的旋转对称部分和旋转非对称部分信息，同时需要去除回程误差影响和多波前透镜补偿器5的残余波像差影响，然后将旋转对称部分和旋转非对称部分进行合成可得到被测非球面光学元件面形误差信息。关于数据处理方法可参考文献(K.Otaki，T.Yamamoto，Y.Fukuda，et al.，“Accuracy evaluation of the pointdiffraction interferometer for extreme ultraviolet lithography asphericmirror”，J.Vac.Sci.Technol.B.，20(1)：295-300，2002.)，关于光轴上不同位置关系可以参考文献(Klaus Mantel，Eduard Geist，Irina Harder，et al.Interferometricquasi-absolute tests for aspherics using a radial shear position，OpticsLetters，34(20)：3178-3180，2009.)。这里以4个旋转角度测量为例，主要数据处理方法如下：

第一个轴向匹配位置干涉测量结果可以表示为：

T(x，y)＝W(x，y)+V(x，y)    (1)

其中T(x，y)表示干涉测量数据，W(x，y)表示被测非球面光学元件面形误差，V(x，y)表示由干涉仪参考面误差引起的系统误差，假设该系统误差在多次测量过程中保持不变。

被测非球面光学元件8旋转0度、90度、180度、270度后干涉测量数据分别表示为T₀(x，y)，T₉₀(x，y)，T₁₈₀(x，y)，T₂₇₀(x，y)，可由下式表达：

T_φ(x，y)＝Wφ(x，y)+V(x，y)        (2)

其中T_Φ(x，y)表示旋转Φ角度后干涉测量数据，W_Φ表示旋转Φ角度后被测非球面光学元件面形误差。

对上述不同旋转角度干涉测量数据进行平均处理，即：

$\stackrel{\‾}{T}(x,y)=\frac{T_0(x,y)+T_{90}(x,y)+T_{180}(x,y)+T_{270}(x,y)}{4}---\left(3\right)$

$=W^{\mathrm{sym}}(x,y)+W^{4\mathrm{N\θ}}(x,y)+V(x,y)$

其中

表示干涉测量数据的平均结果，W^sym(x，y)表示被测非球面光学元件的旋转对称面形误差。W^4Nθ(x，y)为与旋转角度相关项，具体表达如下：

$W^{4\mathrm{N\θ}}(x,y)=\left\{\begin{array}{c}\cos 4\mathrm{N\θ}\\ \sin 4\mathrm{N\θ}\end{array}\right\}{R}_n^{4N}\left(\mathrm{\ρ}\right)---\left(4\right)$

$\mathrm{\ρ}=\sqrt{x^2+y^2}$

N＝1，2，...，n＝4N+2，4N+4，...

将式(2)与式(3)相减，可得到：

$T_{\mathrm{\φ}}(x,y)-\stackrel{\‾}{T}(x,y)=W_{\mathrm{\φ}}^{\mathrm{as}}(x,y)-W_{\mathrm{\φ}}^{4\mathrm{N\θ}}(x,y)---\left(5\right)$

其中W_Φ ^as(x，y)为被测非球面光学元件的非旋转对称面形误差。W^4Nθ(x，y)通常为一个小量，可以忽略。

通过式(1)-(5)可求得被测非球面光学元件的非旋转对称面形误差。

第二个轴向匹配位置干涉测量结果可以表示为：

T_Φ，sx，sy(x，y)＝W_Φ(x-sx，y-sy)+V(x，y)            (6)

其中T_Φ，sx，sy(x，y)表示第二个轴向位置在旋转角度Φ后干涉测量结果，W_Φ(x-sx，y-sy)表示第二个轴向位置被测非球面光学元件面形误差。

如图5所示，第一个和第二个轴向位置测量时，它们之间的坐标关系变换类似径向剪切。球面光学元件的剪切量sx、sy可由式(7)-(9)计算得到。

$\mathrm{\δr}\left(r\right)=r\frac{z_1+R}{z_0+R}-r=r\frac{d}{z_0+r}---\left(7\right)$

sx＝δr(r)cosθ                    (8)

sy＝δr(r)sinθ                    (9)

其中(r，θ)为极坐标，R为曲率半径，z1表示第二个轴向位置与多波前透镜补偿器的距离，z0表示第一个轴向位置与多波前透镜补偿器的距离，d为两个轴向位置距离，且d＝z1-z0。剪切量的大小和测量的灵敏度相关，根据实际情况和检测精度要求确定。非球面光学元件的剪切量关系可类似推导。

对第二个轴向位置多个旋转角度测量数据的平均处理结果可以表示为：

${\stackrel{\‾}{T}}_{\mathrm{\Φ},\mathrm{sx},\mathrm{xy}}(x,y)=\frac{T_{0,\mathrm{sx},\mathrm{xy}}(x,y)+T_{90,\mathrm{sx},\mathrm{xy}}(x,y)+T_{180,\mathrm{sx},\mathrm{xy}}(x,y)+T_{270,\mathrm{sx},\mathrm{xy}}(x,y)}{4}---\left(10\right)$

$=W^{\mathrm{sym}}(x-\mathrm{sx},y-\mathrm{sy})+W^{4\mathrm{N\θ}}(x-\mathrm{sx},y-\mathrm{sy})+V(x,y)$

其中

表示第二个轴向位置干涉测量数据的平均结果，W^sym(x-sx，y-sy)表示被测非球面光学元件在第二个轴向位置的旋转对称面形误差。W^4Nθ(x-sx，y-sy)为与旋转角度相关项，该项通常为可以忽略的小量。

式(3)减去式(10)，可得到被测非球面光学元件的旋转对称部分面形误差，具体表达如下：

${\stackrel{\‾}{T}}_{\mathrm{\Φ}}(x,y)-{\stackrel{\‾}{T}}_{\mathrm{\Φ},\mathrm{sx},\mathrm{xy}}(x,y)=W^{\mathrm{sym}}(x,y)-W^{\mathrm{sym}}(x-\mathrm{sx},y-\mathrm{sy})---\left(11\right)$

将被测非球面光学元件的旋转对称面形误差和旋转非对称面形误差组合起来，即可得到被测非球面光学元件面形误差。可表达为：

W_φ(x，y)＝W^as _φ(x，y)+W_φ ^sym(x，y)            (12)

第九步：去除回程误差影响和第二步所标定的多波前透镜补偿器自身误差，即可得到更为准确的被测非球面光学元件面形误差。上述两个不同轴向位置测量和采用部分补偿器所产生的回程误差影响分析及校正方法可以参考文献(Dong Liu，Yongying Yang，Chao Tian，et al.，“Practical methods for retrace error correction in nonnull aspherictesting”，Optical Express，17(9)：7025-7035，2009.)。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (10)

1.基于多波前透镜补偿器的非球面绝对测量系统，其特征在于：包括相移干涉仪(1)、标准镜头(2)、由至少2个以上光学元件或元件组(3，4)构成的多波前透镜补偿器(5)、电控调整装置(6)、安装在六维调整架上的被测非球面光学元件(8)、六维调整架(9)、电控平移台(10)和计算机控制及数据处理系统(12)；通过计算机控制及数据处理系统(12)控制安装在电控调整装置(6)上的多波前透镜补偿器(5)各个光学元件或元件组(3，4)之间的间隔，使得相移干涉仪(1)经过标准镜头(2)出射的测试光通过多波前透镜补偿器(5)后在光轴方向二个不同位置产生与被测非球面光学元件(8)匹配的非球面测试波前，通过六维调整架(9)对被测非球面光学元件(8)在第一个轴向位置多次旋转不同角度，由相移干涉仪(1)进行测量，然后通过计算机控制控制及数据处理系统(12)控制电控平移台(10)使得安装在六维调整架(9)上的被测非球面光学元件(8)沿着光轴方向移动到另一个与透镜补偿器(5)出射非球面波前相匹配的位置并旋转不同角度，由相移干涉仪(1)进行多次干涉测量，最后对上述多次干涉测量结果由计算机控制及数据处理系统(12)进行数据处理分离出被测非球面光学元件面形误差信息，实现绝对测量。

2.根据权利要求1所述的基于多波前透镜补偿器的非球面绝对测量系统，其特征在于：所述多波前透镜补偿器(5)中光学元件的PV＜1/10波长，rms＜1/50波长，所述波长为632.8nm。

3.根据权利要求1所述的基于多波前透镜补偿器的非球面绝对测量系统，其特征在于：多波前透镜补偿器(5)可采用零透镜补偿器，即标准镜头(2)出射的测试波前通过透镜补偿器后转换为与被测非球面光学元件(8)理论形状相匹配的测试波前；所述多波前透镜补偿器(5)也可以采用部分补偿器，即标准镜头(2)出射的测试波前通过透镜补偿器后转换为与被测非球面光学元件(8)理论面形相接近的测试波前，与理论面形的残余波像差所导致的较高密度干涉图可以被相移干涉仪(1)完全分辨，该残余波像差通过光学设计软件仿真和数据处理方法去除。

4.根据权利要求1所述的基于多波前透镜补偿器的非球面绝对测量系统，其特征在于：所述多波前透镜补偿器(5)根据被测非球面光学元件(8)参数设计，可检测凸非球面光学元件，也可检测凹非球面光学元件。

5.根据权利要求1或2所述的基于多波前透镜补偿器的非球面绝对测量系统，其特征在于：所述多波前透镜补偿器(5)中所有光学元件面形误差采用至少两种以上球面绝对测量法进行标定；所述球面绝对测量法为随机球法、三位置法或平移旋转法。

6.根据权利要求1或2所述的基于多波前透镜补偿器的非球面绝对测量系统，其特征在于：所述多波前透镜补偿器(5)中各个光学元件的光学材料均匀性、曲率半径、中心厚度分别由相移干涉仪、曲率半径干涉仪和中心厚度测量仪准确测量。

7.根据权利要求1所述的基于多波前透镜补偿器的非球面绝对测量系统，其特征在于：所述标准镜头(2)为平面标准镜头或球面标准镜头。

8.根据权利要求1所述的基于多波前透镜补偿器的非球面绝对测量系统，其特征在于：所述六维调整架(9)通过电控或手动调整，它由自定中心镜架(91)、绕光轴中心360度旋转转台(92)、二维倾斜调整架(93))和三维平移台(94)组成，安装在绕光轴中心360度旋转转台(92)上的自定中心镜架(91)用于装卡被测非球面光学元件(8)，旋转转台(92)后面分别安装二维倾斜调整架(93)和三维平移台(94)。

9.根据权利要求1所述的基于多波前透镜补偿器的非球面绝对测量系统，其特征在于：由六维调整架(9)装卡的被测非球面光学元件(8)由计算机控制及数据处理系统(12)通过电控平台驱动器(11)对电控平移台(10)在光轴方向移动，被测非球面光学元件(8)移动位置与多波前透镜补偿器(5)所出射的测试波前相匹配。

10.根据权利要求1所述的基于多波前透镜补偿器的非球面绝对测量系统，其特征在于：所述多波前透镜补偿器(5)在光轴方向不同位置产生与被测非球面光学元件(8)相匹配的测试波前时，由标准镜头(2)出射的测试光在多波前透镜补偿器(5)中所走光路不同，将产生一定的回程误差，根据准确检测的多波前透镜补偿器(5)各个光学元件基本参数，对回程误差进行仿真分析，通过计算机控制及数据处理系统(12)对两个不同轴向测量位置和采用部分补偿器所产生的回程误差影响予以去除。

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