CN106907991B - 一种基于补偿器的离轴非球面镜零位检测对准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于补偿器的离轴非球面镜零位检测对准方法，包括如下步骤：检测仪器与补偿器之间对准步骤，补偿器与离轴非球面镜之间对准步骤，分析解算非对准检测结果步骤，零位检测对准步骤。通过检测仪器检测得到非对准条件下的非对准检测结果，分析解算非对准检测结果，得到非球面镜各轴调节偏差值，按照此调节偏差值，进行非球面镜位置调节，实现检测仪器、补偿器及非球面镜间的零位检测对准，从而得到在对准状态下非球面镜的干涉检测结果。保证后续非球面镜的正确加工。

Description

一种基于补偿器的离轴非球面镜零位检测对准方法
技术领域
本发明涉及光学检测对准方法，特别是涉及一种基于补偿器的离轴非球面镜零位检测对准方法。
背景技术
目前离轴非球面镜越来越广泛的应用于光学系统中，尤其是在离轴两反、离轴三反系统中。离轴非球面镜的应用可以有效的增大光学系统视场、提高光学系统质量。
对于离轴非球面镜零位检测，主要采取补偿检测方式，检测时基于离轴非球面镜参数，包括离轴量与顶点曲率半径，非球面高次项系数等，设计相应的补偿器或计算全息图(CGH)补偿元件，对非球面镜进行零位检测。
无论是补偿器补偿检测还是计算全息图补偿检测，均对检测仪器、补偿器、非球面镜三者间对准精度有较高要求，三者间位置失调会致使检测错误，误导后续光学反射镜的加工。检测时需要对检测仪器、补偿器及离轴非球面镜的位置关系进行严格约束，否则由于位置关系不准确会在检测结果中引入额外的像差。目前，三者间的位置对准通常是拿钢板尺检测，测量精度无法保障。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，是针对目前检测仪器、补偿器、非球面镜三者间位置对准精度无法保障的缺点，提供一种基于补偿器的离轴非球面镜零位检测对准方法，包括如下步骤，
检测仪器与补偿器之间对准步骤：按光路设计要求调节检测仪器出射标准平面波与补偿器间的位置关系，完成检测仪器与补偿器之间的位置对准；
补偿器与离轴非球面镜之间对准步骤：按光路设计要求调节补偿器与离轴非球面镜之间的位置关系，通过检测仪器检测得到非对准条件下的非对准检测结果；
分析解算非对准检测结果步骤：对非对准检测结果进行分析解算，得到非球面镜各轴调节偏差值；
零位检测对准步骤：按照前一步骤分析解算所得非球面镜各轴调节偏差值，进行非球面镜位置调节，实现检测仪器、补偿器及非球面镜间的对准。
具体地，所述检测仪器与补偿器之间对准步骤中的检测仪器为干涉仪，所述补偿器与离轴非球面镜之间对准步骤中检测得到非对准条件下的非对准检测结果为干涉检测图。
优选地，所述分析解算非对准检测结果步骤中，分析解算干涉检测图用最小二乘法完成离轴非球面镜平移及倾斜方向上失调量的解算。
具体地，所述离轴非球面镜为离轴二次曲面反射镜，用最小二乘法对非对准检测结果即干涉检测图进行离轴二次曲面反射镜平移及倾斜方向上失调量的分析解算，得到离轴二次曲面反射镜各轴调节偏差值。
具体地，所述用最小二乘法进行离轴二次曲面反射镜平移及倾斜方向上失调量的解算步骤如下，
对于基于补偿器的离轴非球面镜零位检测，被检测离轴非球面镜矢高变化与波相差关系：
其中WFE为波相差，δz为镜面失调所引起的面形变化矢量，n为镜面单位法向量，k和k’表示入射光和反射光的单位向量。
离轴二次曲面反射镜失调所带来的矢高误差，如式(2)。
将矢高误差作Taylor展开，得到：
忽略高阶小量情况下，倾斜与彗差比例为：
其可以写成偏心及倾斜两部分叠加的形式：
式中下标dec代表偏心，式中下标tilt代表倾斜；
由像差项系数，将其写作系数矩阵Z与失调量矩阵MisA相乘的形式，
当Z为非奇异矩阵时，也即该二次曲面不是球面时，方程有唯一解；
由式(7)可以得到，由检测像差可以解算出失调量dx，dy，tx，ty。将检测光路中非球面镜按照该失调量数值进行调节，即可得到对准状态下的干涉检测图的结果；
公式(1)～(7)中相关符号的物理意义如下：
δz-镜面失调所引起的面形变化矢量；
n-镜面单位法向量；
k-入射光的单位向量；
k’-反射光的单位向量；
c-顶点曲率；
κ-二次曲面常数；
ρ与θ分别表示镜面一点在镜面极坐标系中的极坐标分量；
d与φ分别表示镜面一点由于偏心在镜面极坐标系中的极坐标分量；
R-镜面口径；
dx，dy代表平移的失调量，tx，ty代表倾斜方向上的失调量；
Tilt-倾斜，Coma-慧差；
Tiltx-x方向倾斜，Tilty-y方向倾斜，Comax-x方向慧差，Comay-y方向慧差。
本发明的一种基于补偿器的离轴非球面镜零位检测对准方法，克服了目前检测仪器、补偿器及离轴非球面镜的位置对准通常是拿钢板尺检测，测量精度无法保障的缺点，首先检测仪器与补偿器之间对准，再将补偿器与离轴非球面镜之间对准，通过检测仪器检测得到非对准条件下的非对准检测结果，分析解算非对准检测结果，得到非球面镜各轴调节偏差值，按照此调节偏差值，进行非球面镜位置调节，实现检测仪器、补偿器及非球面镜间的对准，从而得到在对准状态下非球面镜的干涉检测结果。保证后续非球面镜的正确加工。
附图说明
图1为本发明的检测对准方法的对准原理光路图；
图2为非对准条件下具有像散及倾斜等像差干涉检测图；
图3为非对准条件下具有慧差及倾斜等像差干涉检测图；
图4～6为对准条件下干涉检测图。
其中，1-检测仪器(干涉仪)，2-补偿器，3-离轴非球面镜(离轴二次曲面反射镜)，4-光轴，H-离轴量。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步描述。
一种基于补偿器的离轴非球面镜零位检测对准方法，包括如下步骤，
检测仪器与补偿器之间对准步骤：如图1，按光路设计要求调节检测仪器出射标准平面波与补偿器间的位置关系，完成检测仪器与补偿器之间的位置对准，检测仪器为干涉仪，按图中从左至右的顺序放置干涉仪1、补偿器2和离轴非球面镜3，本实施例中离轴非球面镜3为离轴二次曲面反射镜，干涉仪1和补偿器2位于光轴4上，离轴非球面镜3离开光轴4有一离轴量H宽的距离。
补偿器2与离轴二次曲面反射镜3之间对准步骤：按光路设计要求调节补偿器2与离轴二次曲面反射镜3之间的位置关系，通过检测仪器检测得到非对准条件下的非对准检测结果即干涉检测图(信息)；检测仪器为干涉仪1，补偿器2与离轴二次曲面反射镜3之间对准步骤中检测得到非对准条件下的非对准检测结果为干涉检测图，见图2和图3。
分析解算非对准检测结果步骤，本实施例中所述离轴非球面镜为离轴二次曲面反射镜3，分析解算方法用最小二乘法对非对准检测结果即干涉检测图进行离轴二次曲面反射镜3平移及倾斜方向上失调量的分析解算，得到离轴二次曲面反射镜各轴调节偏差值，二次曲面包含抛物面、双曲面、椭球面，本实施例中离轴二次曲面反射镜各轴包括俯仰轴为x轴，扭摆轴为y轴，分析解算各轴平移的失调量，倾斜方向上的失调量，本实施例中x轴和y轴的平移的失调量用dx、dy代表，倾斜方向上的失调量用tx、ty代表；
用最小二乘法进行离轴二次曲面反射镜各轴平移及倾斜方向上失调量的具体解算步骤方法如下，
对于基于补偿器的离轴非球面镜零位检测，被检测离轴非球面镜矢高变化与波相差关系：
其中WFE为波相差，δz为镜面失调所引起的面形变化矢量，n为镜面单位法向量，k和k’表示入射光和反射光的单位向量。
离轴二次曲面反射镜失调所带来的矢高误差，如式(2)。
将矢高误差作Taylor展开，得到：
忽略高阶小量情况下，倾斜与彗差比例为：
其可以写成偏心及倾斜两部分叠加的形式：
式中下标dec代表偏心，式中下标tilt代表倾斜；
由像差项系数，将其写作系数矩阵Z与失调量矩阵MisA相乘的形式，
当Z为非奇异矩阵时，也即该二次曲面不是球面时，方程有唯一解；
由式(7)可以得到，由检测像差可以解算出dx、dy、tx、ty，其物理意义为dx、dy代表平移的失调量，tx、ty代表倾斜方向上的失调量。将检测光路中离轴二次曲面反射镜3按照该失调量数值进行调节，即可得到对准状态下的干涉检测图的结果，如图4～6所示；
公式(1)～(7)中相关符号的物理意义如下：
δz-镜面失调所引起的面形变化矢量；
n-镜面单位法向量；
k-入射光的单位向量；
k’-反射光的单位向量；
c-顶点曲率；
κ-二次曲面常数；
ρ与θ分别表示镜面一点在镜面极坐标系中的极坐标分量；
d与φ分别表示镜面一点由于偏心在镜面极坐标系中的极坐标分量；
R-镜面口径；
dx，dy代表平移的失调量，tx，ty代表倾斜方向上的失调量；
Tilt-倾斜，Coma-慧差；
Tiltx-x方向倾斜，Tilty-y方向倾斜，Comax-x方向慧差，Comay-y方向慧差。
零位检测对准步骤：按照前一步骤分析解算所得非球面镜各轴调节偏差值，dx、dy代表平移的失调量，tx、ty代表倾斜方向上的失调量，进行非球面镜位置调节，本实施例中为手动调节，实现检测仪器即干涉仪1、补偿器2及非球面镜即离轴二次曲面反射镜3间的对准，对准状态下干涉检测图如图4～6。

Claims (1)

1.一种基于补偿器的离轴非球面镜零位检测对准方法，包括如下步骤，
检测仪器与补偿器之间对准步骤：按光路设计要求调节检测仪器出射标准平面波与补偿器间的位置关系，完成检测仪器与补偿器之间的位置对准；
补偿器与离轴非球面镜之间对准步骤：按光路设计要求调节补偿器与离轴非球面镜之间的位置关系，通过检测仪器检测得到非对准条件下的非对准检测结果；
分析解算非对准检测结果步骤：对非对准检测结果进行分析解算，得到非球面镜各轴调节偏差值；
零位检测对准步骤：按照前一步骤分析解算所得非球面镜各轴调节偏差值，进行非球面镜位置调节，实现检测仪器、补偿器及非球面镜间的对准；
所述检测仪器与补偿器之间对准步骤中的检测仪器为干涉仪，所述补偿器与离轴非球面镜之间对准步骤中检测得到非对准条件下的非对准检测结果为干涉检测图；
所述分析解算非对准检测结果步骤中，分析解算干涉检测图用最小二乘法完成离轴非球面镜平移及倾斜方向上失调量的解算；
所述离轴非球面镜为离轴二次曲面反射镜，用最小二乘法对非对准检测结果即干涉检测图进行离轴二次曲面反射镜平移及倾斜方向上失调量的分析解算，得到离轴二次曲面反射镜各轴调节偏差值；
所述用最小二乘法进行离轴二次曲面反射镜平移及倾斜方向上失调量的解算步骤方法如下，
对于基于补偿器的离轴非球面镜零位检测，被检测离轴非球面镜矢高变化与波相差关系：
其中WFE为波相差，δz为镜面失调所引起的面形变化矢量，n为镜面单位法向量，k和k’表示入射光和反射光的单位向量。
离轴二次曲面反射镜失调所带来的矢高误差，如式(2)。
将矢高误差作Taylor展开，得到：
忽略高阶小量情况下，倾斜与彗差比例为：
其可以写成偏心及倾斜两部分叠加的形式：
式中下标dec代表偏心，式中下标tilt代表倾斜；
由像差项系数，将其写作系数矩阵Z与失调量矩阵MisA相乘的形式，
当Z为非奇异矩阵时，也即该二次曲面不是球面时，方程有唯一解；
由式(7)可以得到，由检测像差可以解算出失调量dx，dy，tx，ty。将检测光路中非球面镜按照该失调量数值进行调节，即可得到对准状态下的干涉检测图样的结果，
公式(1)～(7)中相关符号的物理意义如下：
δz-镜面失调所引起的面形变化矢量；
n-镜面单位法向量；
k-入射光的单位向量；
k’-反射光的单位向量；
c-顶点曲率；
κ-二次曲面常数；
ρ与θ分别表示镜面一点在镜面极坐标系中的极坐标分量；
d与φ分别表示镜面一点由于偏心在镜面极坐标系中的极坐标分量；
R-镜面口径；
dx，dy代表平移的失调量，tx，ty代表倾斜方向上的失调量；
Tilt-倾斜，Coma-慧差；
Tiltx-x方向倾斜，Tilty-y方向倾斜，Comax-x方向慧差，Comay-y方向慧差。
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