CN105352451B - 一种基于可变形镜的准万能补偿镜及设计方法 - Google Patents

一种基于可变形镜的准万能补偿镜及设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105352451B
CN105352451B CN201510809765.4A CN201510809765A CN105352451B CN 105352451 B CN105352451 B CN 105352451B CN 201510809765 A CN201510809765 A CN 201510809765A CN 105352451 B CN105352451 B CN 105352451B
Authority
CN
China
Prior art keywords
mrow
compensator
order
msup
aberration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510809765.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105352451A (zh
Inventor
胡摇
王劭溥
郝群
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Technology BIT
Original Assignee
Beijing Institute of Technology BIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Technology BIT filed Critical Beijing Institute of Technology BIT
Priority to CN201510809765.4A priority Critical patent/CN105352451B/zh
Publication of CN105352451A publication Critical patent/CN105352451A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105352451B publication Critical patent/CN105352451B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/2441—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures using interferometry

Abstract

本发明为一种基于可变形镜的准万能补偿镜及设计方法，用于激光干涉检测自由曲面表面形貌，属于光电检测领域。该补偿镜由第一级补偿器、第二级补偿器组成。该设计方法，首先利用初级赛德尔像差公式计算被测自由曲面的低阶像差，采用像差匹配和近轴公式算法计算可以得到第一级补偿器的参数；之后使用软件建立折反式系统，利用第二级补偿器尽可能补偿剩余的高阶像差。本设计中将可变形镜作为第二级补偿器，引入到自由曲面表面面形检测中，可以实现同一补偿器检测多种自由曲面，在很大程度上降低补偿器的设计难度和加工费用。同时该补偿检测方法结构简单，引入的误差源少，易于前期的校准调整，可以实现瞬时、高精度的面形测量。

Description

一种基于可变形镜的准万能补偿镜及设计方法
技术领域
本发明涉及激光干涉法测量自由曲面面形，属于光电检测领域。旨在利用可变形镜的特性，实现一对多的补偿镜设计，同时可以提高自由曲面面形检测的测量精度。
背景技术
自由曲面因为其表面形状高度的自由度，可以极大地减小光学系统的尺寸和质量，在此基础上又能进一步的提高系统的成像质量，在现代光学系统中应用的越来越广泛。但是因为其很高的检测难度，使得自由曲面的加工精度一直不能够得到保证，大口径高精度的自由曲面加工和检测目前还是光学检测领域的一大难题。
目前常用的自由曲面面形检测方法主要分为两种：接触式和非接触式测量方法。接触式方法使用专用探头对自由曲面进行接触式点对点的测量，不可避免会对表面造成划伤，而且速度很慢。光学测量方法是非接触式测量的主要方法，主要优点是瞬时、非接触。目前最常用的是补偿法测量，即设计补偿器补偿自由曲面产生的像差，将自由曲面的检测转化为平面或者球面面形的检测。常用的零补偿测量方法，例如CGH(计算全息图)补偿法，检测精度很高，表面精度检测可以达到10nm甚至更高，但是CGH的加工难度大，尤其是对大相对口径、大深度的自由曲面，加工非常困难，而且每测量一种自由曲面，就要专门设计一种零补偿器，费时费力。部分补偿法可以实现一个补偿器对应多个自由曲面进行检测，补偿器结构比较简单，但由于剩余像差的存在，检测精度远低于零补偿法，目前只限于检测低精度、低非球面度的自由曲面。
可变形镜又称为波前校正器，通过在硅基底上附加多个伺服器，通过控制伺服器的电压，推动表面的柔性体产生形变，达到改变面型的目的。但是因为柔性体的改变范围有限，当前只是应用在自适应光学系统中，主要用于大气湍流导致的空气扰动，补偿范围仅在微米量级，很难应用在较大形变量、波前变化剧烈的系统中。
自由曲面的检测难点在于补偿器的设计和加工，高精度的补偿器成本高制作困难，容易制作的补偿器检测精度又会降低，因此研究一种较为方便快捷、同时又具有较高检测精度的自由曲面面形检测方法是目前光学工作者的一项重要任务。
发明内容
本发明的目的是为了解决纳米级自由曲面面形误差检测的问题，提出一种基于可变形镜的准万能补偿镜及设计方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种基于可变形镜的准万能补偿镜系统，包括CCD探测器、成像物镜、准直激光、分光镜、参考镜、第一级补偿器、第二级补偿器、待测自由曲面；
其中，第一级补偿器由透镜或透镜组组成，用于补偿低阶像差，第二级补偿器是可变形镜，用于补偿剩余高阶像差。
系统的光路为：准直激光经过参考镜，反射光形成参考光，透射光经第一级补偿器-第二级补偿器-待测自由曲面-第二级补偿器-第一级补偿器后第二次经过参考镜，与参考光形成干涉条纹，在1-CCD探测器处进行观测。
第一级和第二级补偿器构成准万能补偿镜。第一级补偿器是由补偿透镜或透镜组构成，可以是单片镜，也可以是两片透镜组成的透镜组，第一级补偿器主要通过在轴的透镜或者透镜组产生具有旋转对称性的像差，例如球差、场曲。设计过程中由于自由曲面的非旋转对称性，会产生很多非对称的像差，例如彗差、像散以及许多三级以上的像差，可以通过调整第一级的离轴量和旋转角度，产生低阶的非对称性的像差用以补偿。第二级补偿器是一可变形镜。因为第一级补偿器的作用有限，只能补偿低阶像差，引入一个可变形镜作为第二级补偿，主要用于修正剩余的高阶像差。现有的可变形镜直径一般都比较小，形变范围有限，但是可以实现精密的控制，几乎可以实现任意面型的改变，非常适合应用在本发明的折反式二级补偿系统中，用于补偿幅值较小、结构复杂的高阶像差。附图1是上述补偿系统在斐索干涉仪中的应用，但并不限于该类型干涉仪，也可以用于泰曼格林等常用的干涉仪形式。
一种基于可变形镜的准万能补偿镜系统的设计方法，首先利用初级赛德尔像差公式计算被测自由曲面的低阶像差，采用像差匹配算法和近轴公式计算可以得到第一级补偿器的参数；之后建立折反式系统，利用可变形镜尽可能补偿剩余的高阶像差。
上述设计方法的具体步骤为：
步骤一、首先设计第一级补偿器，用于补偿自由曲面产生的初级像差。利用三级赛德尔像差公式计算，为了设计简单，这里只是利用第一项像差球差SI表示：
SI＝∑hP+h4K， (1)
公式中，h是光线的入射高度，u是光线入射角，u’表示光线出射角，n和n’分别表示玻璃和空气的折射率，e为入射面的非球面系数，R0为入射面的顶点曲率半径。从附图1中可以看出，测量过程中，光线两次经过部分补偿镜，只在自由曲面上反射一次，因此可以得到一个基本的像差设计关系式:
2SPCL+Sfreeform＝0， (4)
SPCL是第一级补偿器的球差，Sfreeform是待测自由曲面产生的球差。最后利用近轴光线公式：
就可以得到部分补偿镜的曲率半径r；
步骤二、第一级补偿器设计结束之后，进行第二级补偿器的设计。这部分设计主要在光学设计软件中进行。利用软件对测量系统进行建模，首先对初步设计的第一级补偿器进行优化，以得到一个最佳结果。之后引入可变形镜，将可变形镜的表面面型设为变量，由于一般可变形镜的变形能力有限，需要预先规定优化变量的变化范围，之后以建模系统像面的波前PV作为优化目标，对系统进行优化，得到像面干涉图最稀疏情况下的结果，记录可变形镜的表面形貌，此时的可变形镜即为设计的第二级补偿器。
有益效果
1、可以实现同一补偿器检测多种自由曲面，这在自由曲面面形检测中尤为重要，因为其表面的高自由度，一对多的设计可以很大程度上降低补偿器的设计难度和加工费用；
2、该补偿检测方法结构简单，引入的误差源少，而且易于前期的校准调整，可以实现瞬时、较高精度的面形测量。
附图说明
图1是基于可变形镜的准万能补偿镜在斐索干涉仪中的应用图例；
图2是补偿器的设计流程图；
附图3是将本专利实例在Zemax中建模，应用设计的补偿器后的像面干涉图；
其中，1-CCD探测器，2-成像物镜，3-准直激光，4-分光镜，5-参考镜，6-第一级补偿器，7-第二级补偿器，8-待测自由曲面。
准直激光经过参考镜5，反射光形成参考光，透射光路径为：6第一级补偿器-7第二级补偿器-8待测自由曲面-7第二级补偿器-6第一级补偿器，后第二次经过5参考镜，与参考光形成干涉条纹，在1-CCD探测器处进行观测。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
实施例
本实例测量的大口径自由曲面具体参数如下：
直径：110mm；非球面系数：-1.3；顶点曲率半径：500mm；
面型附加泽尼克高阶项：Z4＝-8.2515；Z5＝-9.789732；Z9＝-1.271369；
通过上文设计方法求得的第一级补偿器为一单透镜，参数如下：
R1＝167.25mm,R2＝2899.68mm，厚度d＝35.6mm，材料为常用K9玻璃。
加入可变形镜，在光学设计软件Zemax中对系统进行建模，优化可变形镜的表面参数，最终得到第二级补偿器的表面面型为(使用泽尼克多项式Z4-Z29表征):
Z4＝-0.1453,Z5＝0.08622,Z6＝9.50E-4,Z7＝-4.69E-3,Z8＝1.65E-3,Z9＝0.0379,Z10＝3.13E-3,Z11＝0.0448,Z12＝0.0155,Z13＝7.51E-4,Z14＝-2.12E-3,Z15＝4.10E-3,Z16＝5.22E-3,Z17＝5.06E-3,Z18＝1.33E-3,Z19＝1.006E-3,Z20＝-2.22E-3,Z21＝-3.91E-3,Z22＝2.55E-4,Z23＝-4.19E-4,Z24＝-4.82E-4,Z25＝1.58E-3,Z26＝1.34E-3,Z27＝-5.78E-3,Z28＝1.44E-3,Z29＝5.98E-4。
优化之后的像面干涉图如附图3所示。最终的剩余波前PV只有5.12波长，已经接近零补偿测量法，可以用于高精度纳米级的自由曲面面形检测。

Claims (3)

1.一种基于可变形镜的准万能补偿镜系统，其特征在于：包括CCD探测器、成像物镜、准直激光、分光镜、参考镜、第一级补偿器、第二级补偿器、待测自由曲面；其中，第一级补偿器由透镜或透镜组组成，用于补偿低阶像差，第二级补偿器是可变形镜，用于补偿剩余高阶像差；
系统的光路为：准直激光经过参考镜，反射光形成参考光，透射光经第一级补偿器-第二级补偿器-待测自由曲面-第二级补偿器-第一级补偿器后第二次经过参考镜，与参考光形成干涉条纹，在CCD探测器处进行观测。
2.根据权利要求1所述的一种基于可变形镜的准万能补偿镜系统，其特征在于：第一级和第二级补偿器构成准万能补偿镜；第一级补偿器是由补偿透镜或透镜组构成，所述补偿透镜是单片镜，所述透镜组是由两片透镜组成的透镜组；第一级补偿器主要通过在轴的透镜或者透镜组产生具有旋转对称性的像差，通过调整第一级的离轴量和旋转角度，产生低阶的非对称性的像差用以补偿；第二级补偿器是一可变形镜，作为第二级补偿，用于修正剩余的高阶像差。
3.一种基于可变形镜的准万能补偿镜的设计方法，其特征在于：首先利用初级赛德尔像差公式计算被测自由曲面的低阶像差，采用像差匹配算法和近轴公式计算得到第一级补偿器的参数；之后建立折反式系统，利用可变形镜尽可能补偿剩余的高阶像差；
上述设计方法的具体步骤为：
步骤一、首先设计第一级补偿器，用于补偿自由曲面产生的初级像差；利用三级赛德尔像差公式计算，为了设计简单，这里只是利用第一项像差球差SI表示：
SI＝∑hP+h4K， (1)
<mrow> <mi>P</mi> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>u</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>-</mo> <mi>u</mi> </mrow> <mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <msup> <mi>n</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>n</mi> </mfrac> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mfrac> <msup> <mi>u</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <msup> <mi>n</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>u</mi> <mi>n</mi> </mfrac> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
<mrow> <mi>K</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <msup> <mi>e</mi> <mn>2</mn> </msup> <msubsup> <mi>R</mi> <mn>0</mn> <mn>3</mn> </msubsup> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>n</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>-</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
公式中，h是光线的入射高度，u是光线入射角，u’表示光线出射角，n和n’分别表示玻璃和空气的折射率，e为入射面的非球面系数，R0为入射面的顶点曲率半径；测量过程中，光线两次经过部分补偿镜，只在自由曲面上反射一次，因此得到一个基本的像差设计关系式:
2SPCL+Sfreeform＝0, (4)
SPCL是第一级补偿器的球差，Sfreeform是待测自由曲面产生的球差；最后利用近轴光线公式：
<mrow> <msup> <mi>n</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <msup> <mi>u</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>-</mo> <mi>n</mi> <mi>u</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>h</mi> <mi>r</mi> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
就可以得到部分补偿镜的曲率半径r；
步骤二、第一级补偿器设计结束之后，进行第二级补偿器的设计
利用软件对测量系统进行建模，首先对初步设计的第一级补偿器进行优化，以得到一个最佳结果；之后引入可变形镜，将可变形镜的表面面型设为变量，由于一般可变形镜的变形能力有限，需要预先规定优化变量的变化范围，之后以建模系统像面的波前PV作为优化目标，对系统进行优化，得到像面干涉图最稀疏情况下的结果，记录可变形镜的表面形貌，此时的可变形镜即为设计的第二级补偿器。
CN201510809765.4A 2015-11-20 2015-11-20 一种基于可变形镜的准万能补偿镜及设计方法 Active CN105352451B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510809765.4A CN105352451B (zh) 2015-11-20 2015-11-20 一种基于可变形镜的准万能补偿镜及设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510809765.4A CN105352451B (zh) 2015-11-20 2015-11-20 一种基于可变形镜的准万能补偿镜及设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105352451A CN105352451A (zh) 2016-02-24
CN105352451B true CN105352451B (zh) 2018-04-13

Family

ID=55328462

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510809765.4A Active CN105352451B (zh) 2015-11-20 2015-11-20 一种基于可变形镜的准万能补偿镜及设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105352451B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109579739B (zh) * 2019-01-07 2020-06-16 北京理工大学 一种离轴折反式部分补偿器系统及设计方法
CN109781028B (zh) * 2019-02-28 2020-03-17 西安交通大学 基于级联变形镜的大面积大曲率光学自由表面测量装置及测量方法
CN110657757B (zh) * 2019-10-11 2021-04-06 安徽大学 基于级联补偿器的未知深度光学自由曲面检测装置及方法
CN111240010B (zh) * 2020-01-08 2021-04-20 北京理工大学 一种用于自由曲面测量的可变形镜面形设计方法及装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007509321A (ja) * 2003-10-20 2007-04-12 ザイゴ コーポレイション 再構成可能干渉計システム
CN101469976A (zh) * 2007-12-28 2009-07-01 富士能株式会社 光波干涉测量装置
CN103528539A (zh) * 2013-09-26 2014-01-22 南京理工大学 基于点源阵列的非零位干涉系统

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007509321A (ja) * 2003-10-20 2007-04-12 ザイゴ コーポレイション 再構成可能干渉計システム
CN101469976A (zh) * 2007-12-28 2009-07-01 富士能株式会社 光波干涉测量装置
CN103528539A (zh) * 2013-09-26 2014-01-22 南京理工大学 基于点源阵列的非零位干涉系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
利用部分补偿透镜进行非球面面形测量;刘惠兰等;《北京理工大学学报》;20040731;第24卷(第7期);全文 *
基于Zemax的部分补偿透镜的优化设计;孟晓辰等;《光学学报》;20110630;第31卷(第6期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN105352451A (zh) 2016-02-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107796329B (zh) 一种凸非球面反射镜面形检测装置及检测方法
WO2017101557A1 (zh) 面形检测装置及方法
CN106840027B (zh) 光学自由曲面的像散补偿型干涉检测装置与检测方法
CN106052583B (zh) 基于可变补偿透镜的非球面面形干涉测量方法及装置
CN105352451B (zh) 一种基于可变形镜的准万能补偿镜及设计方法
CN107421436B (zh) 基于空间光调制器参考面的非球面干涉测量系统及方法
JP5896792B2 (ja) 非球面計測方法、非球面計測装置および光学素子加工装置
CN101290218B (zh) 用于校正非球面非零位检测时的原理误差的方法
CN102506750A (zh) 部分补偿非球面反射镜面形检测方法
US10323938B2 (en) Method for calibrating a measuring device
CN102200432A (zh) 非球面物体测量方法和设备
CN105547179B (zh) 一种非球面方程的测量方法
JP6401279B2 (ja) 球面−非点収差光学面を測定する方法
CN103196389B (zh) 检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差的装置和方法
CN101922920A (zh) 非球面体测量方法以及装置
JP2013186017A (ja) 非球面形状計測方法、非球面形状計測装置、光学素子加工装置および光学素子
CN106404354A (zh) 非球面补偿器透射波前方程的测量装置和方法
CN102937421A (zh) 旋转轴对称光学非球面的实时检测方法
CN111240010B (zh) 一种用于自由曲面测量的可变形镜面形设计方法及装置
CN106871819B (zh) 基于最佳补偿位置的非球面顶点曲率半径误差测量方法
CN106767675A (zh) 基于细光束的f‑theta测量系统的优化方法
CN104048596B (zh) 补偿器及补偿器与干涉仪共轴的调节方法
CN102087097A (zh) 非球面体测定方法以及装置
CN104776811B (zh) 大口径、批量化离轴子镜的面形检测方法
Dominguez et al. SCOTS: a useful tool for specifying and testing optics in slope space

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant