CN103776388A - 非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜方法。它由激光器出射的细光束经准直扩束系统后被扩束为平行宽光束，平行光入射至镀有半反半透膜的分光板后，一部分入射光被反射，反射光束被平面参考镜反射后再次返回分光板；另一部分入射光被透射，透射光束向前传播入射至辅助对准平板后返回；返回的反射光和返回的透射光在分光板处相遇发生干涉，形成干涉图，经成像系统后成像于探测器处；调节对准平板与部分补偿透镜相对于入射光的倾斜度，使探测器得到零条纹干涉图，移去对准平板，实现部分补偿透镜的倾斜对准。本发明解决了非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜对准误差问题，减少了其误对准对检测结果引入的调整误差。

Description

非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜对准方法

本申请为申请号为201210054455.2，申请日为2012年3月2日，发明名称为非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜对准装置与方法的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜对准方法。

背景技术

在非球面非零位干涉检测中，部分补偿透镜承担着补偿一定范围内非球面的纵向法线像差，降低系统像面处返回波前斜率，进而使干涉条纹可以被探测器分辨的作用，是整个非零位干涉系统的核心组成部分。为了减小系统误差，原理上要求部分补偿透镜与非零位干涉仪正确对准（包括倾斜和偏心），即其在实际系统中的位置应该与理论模型中的位置完全相同。如果其存在对准误差，将会向检测结果中引入大量的像散、慧差等像差，严重整个系统的检测精度。可以说，部分补偿透镜精确对准是整个非零位干涉仪实现高精度检测的重要前提。

从在整个系统中承担的作用来看，非球面非零位干涉仪中的部分补偿透镜类同于球面零位干涉仪（如Fizeau干涉仪）中消球差透镜和非球面零位干涉仪中零位补偿器（如计算全息图）。在传统的球面零位干涉检测中，由于消球差透镜中的最后一面为标准参考面，因此，可以利用其自准直反射实现与干涉仪系统的高精度对准。而在非球面零位干涉仪中，则可以通过设计与主全息图匹配的对准全息图来实现补偿器的精确对准。虽然以上两种对准方案简单方便且均已在各自领域得到成功应用，但无法直接应用在非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜的对准。原因在于此处的部分补偿透镜既不存在一个标准参考面，也无法与辅助对准全息图配合。

尽管可以利用辅助透镜组与部分补偿透镜组合为消球差透镜组，进而利用该消球差透镜组的最后一面进行自准直对准（杨甬英等，“非球面非零检测中非零补偿镜精密干涉定位调整装置及方法”，中国专利，公开号CN101592478A，公开日期2009.12.02）。但该方法需要额外的针对某一特定部分补偿透镜的配合镜组，这会增加系统设计、加工、装调等诸多环节的成本。因此，需要较为简单的装置和方法实现非零位干涉系统中部分补偿透镜的精确对准。

发明内容

本发明的目的在于为非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜倾斜和偏心，提供一种操作简单且精确对准方法。

非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜偏心对准方法的步骤如下：

1)根据非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜偏心对准装置的部分补偿透镜(S5)、对准球面(S9)的口径、曲率半径、折射率和厚度，采用Zemax光学设计软件建立干涉系统理论模型，得到清晰可辨干涉图时对准球面(S9)在光轴上的位置；

2)在理论模型中，等间隔改变部分补偿透镜(S5)的x轴偏心量D_x并追迹光线，根据最小二乘法，利用Zernike多项式拟合像面波前x轴慧差系数C_x，得到部分补偿透镜(S5)的x轴偏心量D_x与像面波前x轴慧差系数C_x关系曲线，拟合得到线性方程C_x＝k·D_x，k为斜率；利用光学系统的旋转对称性质，得到部分补偿透镜(S5)的y轴偏心量D_y与像面波前y轴慧差系数C_y关系方程C_y＝k·D_y；

3)沿x轴和y轴方向上粗略平移部分补偿透镜(S5)；

4)调整对准球面(S9)使接收到清晰可辨的干涉图，此时干涉图中存在大的慧差；

5)利用探测器采集多帧相移干涉图，利用多步相移算法解调干涉图，得到解调位相W_det；

6)根据最小二乘法，利用Zernike多项式拟合解调位相W_det，得W_det＝ΣA_iZ_i,i＝1,2,…,37，式中，A_i和Z_i分别为第i项拟合系数和第i项Zernike多项式，得到像面的x轴,y轴慧差系数分别为A₇,A₈，记C_x＝A₇，C_y＝A₈；

7)设定阈值ε，若x轴慧差系数|C_x|＜ε，部分补偿透镜(S5)在x轴方向的偏心误差已足够小，否则，根据公式D_x＝C_x/k计算部分补偿透镜(S5)在x轴方向的调整量D_x，并对部分补偿透镜(S5)在x轴进行补偿，即沿x轴移动D_x距离；同样根据公式D_y＝C_y/k计算y轴方向需要的调整量D_y，对部分补偿透镜(S5)在y轴进行补偿；重复步骤4)至步骤7)，直至同时满足|C_x|＜ε且|C_y|＜ε，偏心对准结束。

所述非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜偏心对准装置是由激光器(S1)出射的细光束经准直扩束系统(S2)后被扩束为平行宽光束，平行光入射至镀有半反半透膜的分光板(S3)后，一部分入射光被反射，反射光束被平面参考镜(S6)反射后再次返回分光板(S3)；另一部分入射光被透射，透射平行光束经过具有大球差的部分补偿透镜(S5)后入射至对准球面反射镜(S9)，光线被再反射，经过部分补偿透镜(S5)后返回分光板(S3)；返回的反射光和返回透射光在分光板(S3)处相遇发生干涉，形成干涉图，经成像系统(S7)后成像于探测器(S8)处。

所述的对准球面(S9)为凹或凸球面，具有峰谷小于1微米的面形误差。

本发明解决了非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜的倾斜和偏心对准误差问题，大大减少了由于其误对准而对检测结果引入的调整误差，为后续高精度非球面非零位通用化检测奠定了基础。

附图说明

图1为非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜倾斜对准装置图；

图2为用于调整部分补偿透镜倾斜的对准平板和部分补偿透镜组合系统机械机构图；

图3为非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜偏心对准装置图；

图4为非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜偏心对准流程图；

图5为部分补偿透镜偏心对准前像面干涉图；

图6为部分补偿透镜偏心对准后像面干涉图。

具体实施方式

部分补偿透镜的对准误差可以分解为倾斜对准误差和偏心对准误差，本发明所提出的非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜的对准装置和方法相应地包括倾斜对准和偏心对准两部分。提出的倾斜对准装置和方法的基本原理是利用对准平行平板的对入射光线的自准直作用，通过设计可以使对准平行平板与部分补偿透镜平行且可以组合和分离的机械结构，最终实现部分补偿透镜的倾斜对准。偏心对准装置和方法利用对准球面反射部分补偿透镜的出射光线，通过计算像面波前中慧差大小，反求部分补偿透镜在x和y轴方向上的待调节量并进行相应补偿，最终实现部分补偿透镜的偏心对准。下面将结合附图详细说明本发明的工作原理及实施方式。

如图1所示，一种非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜倾斜对准装置是：由激光器S1出射的细光束经准直扩束系统S2后被扩束为平行宽光束，平行光入射至镀有半反半透膜的分光板S3后，一部分入射光被反射，反射光束被平面参考镜S6反射后再次返回分光板S3；另一部分入射光被透射，透射光束向前传播入射至辅助对准平板S4后返回；返回的反射光和返回的透射光在分光板S3处相遇发生干涉，形成干涉图，经成像系统S7后成像于探测器S8处；调节对准平板S4与部分补偿透镜S5相对于入射光的倾斜度，使探测器S8得到零条纹干涉图，移去对准平板S4，实现部分补偿透镜S5的倾斜对准。所述的对准平板S4前表面和后表面之间楔角小于1度，对准平板S4前表面或后表面镀有增透膜。

如图2所示，所述的辅助对准平板S4和部分补偿透镜S5采用组合分离机构，组合分离机构包括第一镜座1、第二镜座2、组合螺钉3和压圈4；第一镜座1上设有辅助对准平板S4和压圈4，第二镜座2上设有部分补偿透镜S5和压圈4，第一镜座1和第二镜座2通过组合螺钉3固定。对准平板S4和部分补偿透镜S5之间的机械平行性可以通过光学车间中的装调机械且精细修磨两者镜座的基准表面5和6实现。

如图3所示，另一种非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜偏心对准装置是：由激光器S1出射的细光束经准直扩束系统S2后被扩束为平行宽光束，平行光入射至镀有半反半透膜的分光板S3后，一部分入射光被反射，反射光束被平面参考镜S6反射后再次返回分光板S3；另一部分入射光被透射，透射平行光束经过具有大球差的部分补偿透镜S5后入射至对准球面反射镜S9，光线被再反射，经过部分补偿透镜S5后返回分光板S3；返回的反射光和返回透射光在分光板S3处相遇发生干涉，形成干涉图，经成像系统S7后成像于探测器S8处。所述的对准球面S9为凹或凸球面，具有峰谷小于1微米的面形误差。

上述部分补偿透镜偏心对准装置区别于零位干涉仪和非球面非零位干涉仪的最重要的一点在于：上述结构用于校正部分补偿透镜S5与系统光轴的偏心误差，而零位干涉仪和非球面非零位干涉仪则用于光学球面或非球面表面的面形或波前检测。另外，在零位干涉仪中，具有大球差的部分补偿透镜S5由消球差标准镜替代；而在非零位干涉仪中，对准球面S9则由被测非球面替代。

如图4所示，非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜偏心对准方法的步骤如下：

1)根据部分补偿透镜S5、对准球面S9的口径、曲率半径、折射率和厚度，采用Zemax光学设计软件建立干涉系统理论模型，得到清晰可辨干涉图时对准球面S9在光轴上的位置；

2)在理论模型中，等间隔改变部分补偿透镜S5的x轴偏心量D_x并追迹光线，根据最小二乘法，利用Zernike多项式拟合像面波前x轴慧差系数C_x，得到部分补偿透镜S5的x轴偏心量D_x与像面波前x轴慧差系数C_x关系曲线，拟合得到线性方程C_x＝k·D_x，k为斜率；利用光学系统的旋转对称性质，得到部分补偿透镜S5的y轴偏心量D_y与像面波前y轴慧差系数C_y关系方程C_y＝k·D_y；

3)沿x轴和y轴方向上粗略平移部分补偿透镜S5；

4)调整对准球面S9使接收到清晰可辨的干涉图，此时干涉图中存在大的慧差；

5)利用探测器采集多帧相移干涉图，利用多步相移算法解调干涉图，得到解调位相W_det；

6)根据最小二乘法，利用Zernike多项式拟合解调位相W_det，得W_det＝ΣA_iZ_i,i＝1,2,…,37，式中，A_i和Z_i分别为第i项拟合系数和第i项Zernike多项式，得到像面的x轴,y轴慧差系数分别为A₇,A₈，记C_x＝A₇，C_y＝A₈；

7)设定阈值ε，若x轴慧差系数|C_x|＜ε，部分补偿透镜S5在x轴方向的偏心误差已足够小，否则，根据公式D_x＝C_x/k计算部分补偿透镜S5在x轴方向的调整量D_x，并对部分补偿透镜S5在x轴进行补偿，即沿x轴移动Dx距离；同样根据公式D_y＝C_y/k计算y轴方向需要的调整量D_y，对部分补偿透镜S5在y轴进行补偿；重复步骤4)至步骤7)，直至同时满足|C_x|＜ε且|C_y|＜ε，偏心对准结束。

实施例

本发明应用于部分补偿透镜倾斜对准和偏心对准的实例描述如下。

图1为非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜S5倾斜对准装置图。图2为图1中对准平板S4和部分补偿透镜S5组合和分离的具体实现：对准平板S4和部分补偿透镜S5分别放置于镜座1和2中，并被压圈4固紧；利用装调机械可以实现对准平板S4和部分补偿透镜S5与各自的基准面5和6平行；镜座2和镜座1通过固紧螺钉3可以于基准面5和6处紧密配合。此时，在物理上可以实现对准平板S4与部分补偿透镜S5平行。

图2中辅助对准平板S4为单块平行平板，厚度为6毫米，两个表面的平行度为4″，表面7和8分别镀增透膜和不镀膜，因此，入射平行光到达表面8后会被反射。通过调整其绕x轴和y轴的倾斜，可以实现对准平板表面7反射的光线沿原路返回至激光器S1。此时，探测器S8处接收到零条纹干涉图，对准平板S4和部分补偿透镜S5的倾斜误差得到校正。旋开固紧螺钉3，移去对准平板S4及镜座1，即实现了部分补偿透镜S5的倾斜对准。

图3为非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜S5偏心对准装置图。表1为图3中检测光路在光学设计软件Zemax中的理论参数。注意，由于干涉仪中参考路为平面波前，因此，此处仅需建立图3中检测光路部分的理论模型。由表1可以看出，此处部分补偿透镜S5为单片透镜，两面的曲率半径分别为450.0毫米和-80.962毫米，厚度7.69毫米，玻璃材料为K9；对准球面S9为凹球面，口径为25毫米，曲率半径为-25.16毫米。实验中，检测到该对准球面S9的表面面形误差峰谷值小于1/20波长（He-Ne激光）。根据该理论系统，当部分补偿透镜S5的偏心量沿x轴方向在-0.3毫米至0.3毫米均匀变化时，可以计算像面波前中x轴慧差系数C_x，进而得到两者的关系曲线。利用最小二乘法可以拟合得到线性方程C_x＝-4.025·D_x。若已知像面波前x轴慧差系数C_x大小，可以根据式D_x＝-C_x/4.025反求部分补偿透镜S5在x轴方向待调整的偏心量D_x。

表1图3中检测光路理论参数

实际中，搭建了部分补偿透镜S5偏心对准实验装置，在x和y轴方向上粗调部分补偿透镜S5在系统中的位置。然后调整对准球面S9至像面出现清晰可辨条纹干涉图，如图5所示。利用压电晶体驱动采集4幅相移干涉图，并利用相移算法进行解调，得到位相W_det。利用Zernike多项式对解调位相W_det进行拟合，可以得到像面波前中x和y向慧差系数分别为C_x＝0.110，C_y＝0.422。此处，设定慧差系数阈值ε＝0.01。显然，部分补偿透镜S5在x和y轴方向上均存在较大的偏心误差。根据前述的拟合关系D_x＝-C_x/4.025，可以计算得到该部分补偿透镜S5在x和y轴方向的待调整量分别为D_x＝-27微米和D_y＝-105微米。利用部分补偿透镜S5的二维平移调整机构，分别将其沿x和y轴负方向移动27微米和105微米，重新调整对准球面S9，可以在像面得到如图6所示干涉图。对比图6和图5可以发现，图6中干涉图在视觉上已经接近于完美。类似地，利用相移技术和Zernike拟合方法，可以定量得到图6中x和y轴向慧差系数均小于设定阈值ε＝0.01，这表明已经从实验中实现了部分补偿透镜S5的偏心对准。

经过图1和图3所示装置的倾斜和偏心调整过程，可以最终实现非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜S5的倾斜和偏心对准。

Claims (2)

1.一种非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜偏心对准方法，其特征在于它的步骤如下：

1) 根据非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜偏心对准装置的部分补偿透镜(S5)、对准球面(S9)的口径、曲率半径、折射率和厚度，采用Zemax光学设计软件建立干涉系统理论模型，得到清晰可辨干涉图时对准球面(S9)在光轴上的位置；

    2) 在理论模型中，等间隔改变部分补偿透镜(S5)的轴偏心量并追迹光线，根据最小二乘法，利用Zernike多项式拟合像面波前轴慧差系数，得到部分补偿透镜(S5)的轴偏心量与像面波前轴慧差系数关系曲线，拟合得到线性方程，为斜率；利用光学系统的旋转对称性质，得到部分补偿透镜(S5)的轴偏心量与像面波前轴慧差系

数关系方程；

    3) 沿x轴和y轴方向上粗略平移部分补偿透镜(S5)；

    4) 调整对准球面(S9)使接收到清晰可辨的干涉图，此时干涉图中存在大的慧差；

5) 利用探测器采集多帧相移干涉图，利用多步相移算法解调干涉图，得到解调位相；

    6)根据最小二乘法，利用Zernike多项式拟合解调位相，得，式中，和分别为第项拟合系数和第项Zernike多项式，得到像面的x轴, y轴慧差系数分别为，记，；

    7) 设定阈值，若轴慧差系数，部分补偿透镜(S5)在轴方向的偏心误差已足够小，否则，根据公式计算部分补偿透镜(S5)在轴方向的调整量，并对部分补偿透镜(S5)在轴进行补偿，即沿轴移动距离；同样根据公式计算轴方向需要的调整量，对部分补偿透镜(S5)在轴进行补偿；重复步骤4)至步骤7)，直至同时满足且，偏心对准结束；

所述非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜偏心对准装置是由激光器(S1)出射的细光束经准直扩束系统(S2)后被扩束为平行宽光束，平行光入射至镀有半反半透膜的分光板(S3)后，一部分入射光被反射，反射光束被平面参考镜(S6)反射后再次返回分光板(S3)；另一部分入射光被透射，透射平行光束经过具有大球差的部分补偿透镜(S5)后入射至对准球面反射镜(S9)，光线被再反射，经过部分补偿透镜(S5)后返回分光板(S3)；返回的反射光和返回透射光在分光板(S3)处相遇发生干涉，形成干涉图，经成像系统(S7)后成像于探测器(S8)处。

2.根据权利要求1所述的非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜偏心对准方法，其特征在于：所述的对准球面(S9)为凹或凸球面，具有峰谷小于1微米的面形误差。

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