CN105157598A - 弯月透镜的透射波前检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弯月透镜的透射波前检测装置及检测方法，弯月透镜的透射波前检测装置包括沿光路依次设置的干涉仪、计算全息图、被测弯月透镜和球面反射镜；干涉仪的出光端设置有标准镜头；弯月透镜的透射波前检测方法，包括以下步骤：1.获取球面反射镜测量总体误差W2；2.获取弯月透镜测量总体误差W1；3.结合两次检测的结果W1和W2，处理数据。本发明为弯月透镜透射波前的测量提供了一种简便精确的新方法；本发明利用计算全息图，既能实现全息片与干涉仪的对准，又能补偿由弯月透镜和球面反射镜产生的球差，使整个检测系统实现零位检测；本发明的方法具有简单的测量步骤和数据处理方法，具有很强的工程应用价值。

Description

弯月透镜的透射波前检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及的是一种弯月透镜的透射波前检测装置及检测方法。

背景技术

在凸非球面的面形检测中，弯月透镜是一种应用非常广泛的光学元件。弯月透镜的透射波前误差会直接影响到非球面的面形检测精度。而弯月透镜的透射波前受多种因素影响，如弯月透镜两个球面的面形误差、弯月透镜折射率分布和材料均匀性分布等。特别是在大口径的弯月透镜中，其透射波前的测量一直是光学检测中的难题。

南京天文光学技术研究所的马杰等人(“改进的Hindle方法检测凸非球面的研究”，红外与激光工程，2011，40(2)：277-281)提出了一种利用弯月透镜对凸非球面检测的方法，文中分析了弯月透镜的表面误差对检测精度的影响，但却未提及弯月透镜材料等误差。虽然文中提及利用辅助校准镜对弯月透镜的质量进行标校，然却没有对详细的标校方法和像差补偿技术进行说明与分析。中国科学院西安光机所的陈钦芳等人(“双胶合透镜法检测大相对孔径凸非球面透镜”，光子学报，2014,43(3)：0322004-1～5)提出用包括弯月透镜在内的双胶合透镜法检测凸非球面，对双胶合透镜的设计和公差进行了分析，但却未考虑弯月透镜等的加工精度对检测结果的影响。

本方法利用计算全息图可以生成任意波前的能力，用其补偿弯月透镜和球面反射镜产生的球差，从而实现对弯月透镜透射波前的测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种弯月透镜的透射波前检测装置及检测方法，该方法可以实现对弯月透镜的透射波前的零位干涉测量。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种弯月透镜的透射波前检测装置，包括沿光路依次设置的干涉仪、计算全息图、被测弯月透镜和球面反射镜；所述干涉仪的出光端设置有标准镜头；所述的干涉仪固定在第1五维调整架上，所述的计算全息图固定在第2五维调整架上，所述的被测弯月透镜固定在第3五维调整架上，所述的球面反射镜固定在第4五维调整架上。

所述的计算全息图与第2五维调整架组成的整体一起固定于第1五维调整架上。所述的标准镜头为球面标准镜头，根据被测弯月透镜和计算全息图的不同，选择不同的F数,F数为标准镜头相对孔径的倒数。

所述球面反射镜的口径和曲率半径根据弯月透镜的参数对应选择。

一种弯月透镜的透射波前检测方法，包括以下步骤：

一、获取球面反射镜测量总体误差W₂：

依次包括下述两个步骤，

步骤1.根据被测弯月透镜的参数和所选球面反射镜的参数，设计一块相应的计算全息图，该计算全息图包括用于干涉仪与全息片对准的反射全息和用于形成会聚焦点的透射全息两个部分；

步骤2.利用干涉仪直接检测球面反射镜的面形：第1五维调整架保持不动，调整第4五维调整架，使得干涉仪与球面反射镜处于对准位置，利用干涉仪对球面反射镜的面形误差进行测量，此时检测得到的误差W₂包括球面反射镜误差W_sphere和参考镜误差W_reference；

二、获取弯月透镜测量总体误差W₁：

依次包括下述两个步骤，

步骤1.保持第1五维调整架和第4五维调整架不动，将固定有计算全息图的第2五维调整架放置于第1五维调整架上，调整第2五维调整架，利用计算全息图的反射衍射形成的干涉条纹，使得干涉仪和计算全息图处于对准位置；

步骤2.将固定有被测弯月透镜的第3五维调整架放置到检测光路中，保持其他光学元件不动，只调节第3五维调整架和第1五维调整架，使得整个检测系统处于对准位置，利用干涉仪对整个系统的误差进行测量，得到总体误差W₁，该误差包括参考镜误差W_reference、计算全息图误差W_CGH、弯月透镜误差W_meniscuss和球面反射镜误差W_sphere；

三、处理数据，

当利用干涉仪对整个检测系统进行测量时，其误差包括参考镜误差W_reference、计算全息图误差W_CGH、弯月透镜误差W_meniscus和球面反射镜误差W_sphere，即：

W₁＝W_reference+W_CGH+W_meniscus+W_sphere(1)

相对于弯月透镜和球面反射镜来说，计算全息图误差WCGH为小量，在此可以忽略，故上述公式可以简化为：

W₁＝W_reference+W_meniscus+W_sphere(2)

当利用干涉仪直接对球面反射镜进行检测时，其检测误差包括参考镜误差W_reference和球面反射镜误差W_sphere，

W₂＝W_reference+W_sphere(3)

然后利用两次检测结果相减，就可以得到弯月透镜的透射波前误差W_meniscus，W_meniscus＝W₁-W₂(4)。

本发明的有益效果是：

1)本发明为弯月透镜透射波前的测量提供了一种简便精确的新方法；

2)本发明利用计算全息图，既能实现全息片与干涉仪的对准，又能补偿由弯月透镜和球面反射镜产生的球差，使整个检测系统实现零位检测；

3)本发明的方法具有简单的测量步骤和数据处理方法，具有很强的工程应用价值。

附图说明

图1是本发明的球面反射镜面形检测示意图；

图2是本发明的计算全息图示意图；

图3是本发明的弯月透镜透射波前检测示意图；

图4是本发明弯月透镜的透射波前检测方法流程图。

图中，1-干涉仪，2-标准镜头，3-计算全息图，4-被测弯月透镜，5-球面反射镜，6-第1五维调整架，7-第2五维调整架，8-第3五维调整架，9-第4五维调整架，10-补偿球差的透射全息，11-干涉仪与全息片对准的反射全息。

具体实施例

下面结合附图对本发明进一步的说明，一种弯月透镜的透射波前检测装置，该装置包括沿光路依次设置的干涉仪1、计算全息图3、被测弯月透镜4和球面反射镜5；所述球面反射镜5的口径和曲率半径根据弯月透镜4的参数对应选择。干涉仪1的一端安装有球面标准镜头2，标准镜头根据被测弯月透镜5和计算全息图3的不同，选择不同的F数,F数为标准镜头相对孔径的倒数。

计算全息图3固定在第2五维调整架7上，计算全息图3与第2五维调整架7组成的整体与干涉仪1一起固定在第1五维调整架6上，被测弯月透镜4固定在第3五维调整架8上，所述的球面反射镜5固定在第4五维调整架9上。

一种弯月透镜的透射波前检测方法，包括以下步骤：

一、获取球面反射镜测量总体误差W₂：

依次包括下述两个步骤，

步骤1.首先根据被测弯月透镜4的参数和所选球面反射镜5的参数，设计一块相应的计算全息图，该计算全息图两个部分，如图2所示；其中，计算全息图的中间部分为补偿球差的透射全息10，外围部分为干涉仪与全息片对准的反射全息11；

步骤2.对所选的球面反射镜5的面形进行检测，其检测光路如图1所示。将标准镜头2安装在干涉仪1上，保证它们之间对准，并共同放置于第1五维调整架6上；将球面反射镜5固定于第4五维调整架9上；在检测过程中，保持第1五维调整架6不动，调整第4五维调整架9，使得干涉仪1与球面反射镜5处于对准位置，利用干涉仪对球面反射镜的面形误差进行测量，此时检测得到的误差W₂包括球面反射镜误差W_sphere和参考镜误差W_reference；

二、获取弯月透镜测量总体误差W₁：

依次包括下述两个步骤，

步骤1.保持第1五维调整架6和第4五维调整架9不动，将固定有计算全息图3的第2五维调整架7放置于第1五维调整架6上；计算全息图3外围区域的反射全息11产生的反射衍射，会与标准镜头2的参考波面形成条纹，调整第2五维调整架7，使得干涉仪和计算全息图3处于对准位置；

步骤2.将固定有被测弯月透镜4的第3五维调整架8放置到检测光路中，此时的整体检测光路如图3所示；保持其他光学元件不动，调节第3五维调整架8与第1五维调整架6，使得整个检测系统处于对准位置，利用干涉仪对整个系统的误差进行测量，得到总体误差W₁；上述方法流程如图4所示。

三、结合两次检测的结果W₁和W₂，相应的数据处理方法为：

当利用干涉仪1对整个检测系统进行测量时，其误差包括参考镜误差W_reference、计算全息图误差W_CGH、弯月透镜误差W_meniscus和球面反射镜误差W_sphere，即:

W₁＝W_reference+W_CGH+W_meniscus+W_sphere(1)

相对于弯月透镜和球面反射镜来说，计算全息图误差W_CGH为小量，在此可以忽略，故上述公式(1)可以简化为，

W₁＝W_reference+W_meniscus+W_sphere(2)

当利用干涉仪单独对球面反射镜进行检测时，其检测误差包括参考镜误差W_reference和球面反射镜误差W_sphere，

W₂＝W_reference+W_sphere(3)

然后利用两次检测结果相减，就可以得到弯月透镜的误差W_meniscus，即弯月透镜的透过波前误差，

W_meniscus＝W₁-W₂(4)

经过以上的测量步骤和数据处理，便可得到弯月透镜的透射波前误差W_meniscus。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种弯月透镜的透射波前检测装置，其特征在于:包括沿光路依次设置的干涉仪(1)、计算全息图(3)、被测弯月透镜(4)和球面反射镜(5)；所述干涉仪(1)的出光端设置有标准镜头(2)；

所述的干涉仪(1)固定在第1五维调整架(6)上，所述的计算全息图(3)固定在第2五维调整架(7)上，所述的被测弯月透镜(4)固定在第3五维调整架(8)上，所述的球面反射镜(5)固定在第4五维调整架(9)上。

2.根据权利要求1所述的弯月透镜的透射波前检测装置，其特征在于:

所述的计算全息图(3)与第2五维调整架(7)组成的整体一起固定于第1五维调整架(6)上。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的弯月透镜的透射波前检测装置，其特征在于：

所述的标准镜头(2)为球面标准镜头，根据被测弯月透镜(5)和计算全息图(3)的不同，选择不同的F数,F数为标准镜头相对孔径的倒数。

4.根据权利要求3所述的弯月透镜的透射波前检测装置，其特征在于:

所述球面反射镜(5)的口径和曲率半径根据弯月透镜(4)的参数对应选择。

5.一种弯月透镜的透射波前检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

一、获取球面反射镜测量总体误差W₂：

依次包括下述两个步骤，

步骤1.根据被测弯月透镜(4)的参数和所选球面反射镜(5)的参数，设计一块相应的计算全息图(3)，该计算全息图(3)包括用于干涉仪与全息片对准的反射全息和用于形成会聚焦点的透射全息两个部分；

步骤2.利用干涉仪(1)直接检测球面反射镜(5)的面形：第1五维调整架(6)保持不动，调整第4五维调整架(9)，使得干涉仪(1)与球面反射镜(5)处于对准位置，利用干涉仪(1)对球面反射镜(5)的面形误差进行测量，此时检测得到的误差W₂包括球面反射镜(5)误差W_sphere和参考镜误差W_reference；

二、获取弯月透镜测量总体误差W₁：

依次包括下述两个步骤，

步骤1.保持第1五维调整架(6)和第4五维调整架(9)不动，将固定有计算全息图(3)的第2五维调整架(7)放置于第1五维调整架(6)上，调整第2五维调整架(7)，利用计算全息图(3)的反射衍射形成的干涉条纹，使得干涉仪(1)和计算全息图(3)处于对准位置；

步骤2.将固定有被测弯月透镜(4)的第3五维调整架(8)放置到检测光路中，保持其他光学元件不动，只调节第3五维调整架(8)和第1五维调整架(6)，使得整个检测系统处于对准位置，利用干涉仪(1)对整个系统的误差进行测量，得到总体误差W₁，该误差包括参考镜误差W_reference、计算全息图误差W_CGH、弯月透镜误差W_meniscus和球面反射镜误差W_sphere；

三、处理数据，

当利用干涉仪(1)对整个检测系统进行测量时，其误差包括参考镜误差W_reference、计算全息图误差W_CGH、弯月透镜误差W_meniscus和球面反射镜误差W_sphere，即：

W₁＝W_reference+W_CGH+W_meniscus+W_sphere(1)

相对于弯月透镜和球面反射镜来说，计算全息图误差WCGH为小量，在此可以忽略，故上述公式(1)可以简化为：

W₁＝W_reference+W_meniscus+W_sphere(2)

当利用干涉仪(1)直接对球面反射镜进行检测时，其检测误差包括参考镜误差W_reference和球面反射镜误差W_sphere，

W₂＝W_reference+W_sphere(3)

然后利用两次检测结果相减，就可以得到弯月透镜的透射波前误差W_meniscus，

W_meniscus＝W₁-W₂(4)。