CN111999042B - 检测光学系统任意波长透射波前的方法 - Google Patents

检测光学系统任意波长透射波前的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种检测光学系统任意波长透射波前的方法，利用4种波长为λ1～λ4的检测装置分别对光学系统进行检测，再通过波前离散点Hλm(xi，yi)与波长公式计算得到光学系统在波长为λn时的透射波前。本方法均能够应用在单波长系统、消色差系统以及复消色差系统中，从而解决主要的透射式光学系统任意波长波前检测的问题。不仅使得特殊波长的激光干涉仪的检测范围变大，而且当需要检测一些特殊的光学系统时，也不需要使用造价昂贵的特殊波长的激光干涉仪进行检测，节约了检测成本。

Description

检测光学系统任意波长透射波前的方法
技术领域
本发明涉及一种检测透射波前的方法，具体涉及一种检测光学系统任意波长透射波前的方法。
背景技术
光学系统透射波前通常使用激光干涉仪检测，激光干涉仪可以准确检测特定波长光学系统(干涉仪光源波长与光学系统设计波长一致，或在其工作波段内)，波前检测结果可以一组Zernike多项式系数线性组合表示。根据检测需要，目前有不同类型波长的激光干涉仪，用于检测不同类型的光学系统的透射波前。例如，248nm和363nm激光干涉仪用于检测紫外透镜系统，405nm激光干涉仪用于检测DVD光学存储和视听设备的透镜，1053nm激光干涉仪用于研究激光熔合、聚变等。
现有技术中，仅有上述几种特定波长的激光干涉仪，因此，其他波段的光学系统无法使用激光干涉仪准确检测(或只能检测光学系统特定波长透射波前)，导致激光干涉仪的应用范围较小。另外，激光干涉仪的研发难度较大，且特殊波长激光干涉仪的造价昂贵，因此，现有的特殊波长的激光干涉仪的种类较少。
在实际的应用中，虽然可以利用透射波前Zernike系数与波长的函数关系，可以将光学系统特定波长波前数据转换为任意波长波前数据，实现任意波长光学系统透射波前的检测。但是Zernike系数只在单位圆内正交，被测光学系统的通光孔径必须是圆形，对于其他形状通光口径的光学系统则不能使用。
传统透射系统主要分为单色系统、消色差系统和复消色差系统。发明专利CN108195566A公开了一种检测任意波长任意形状口径光学系统透射波前的方法，这种方法提出利用透射波前离散点与波长的函数关系，将光学系统特定波长波前数据转换为任意波长波前数据，从而实现任意波长光学系统透射波前的检测。但是专利CN108195566A其提供的公式只能应用于单色系统和消色差系统，并不适用于复消色差系统任意波长透射波前的检测。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种检测光学系统任意波长透射波前的方法，该方法不仅能够应用于单色系统和消色差系统，还能够适用于复消色差系统，尤其是非常适合用于复消色差系统任意波长透射波前的检测。
本发明提供了一种检测光学系统任意波长透射波前的方法，具有这样的特征，包括以下步骤
一种检测光学系统任意波长透射波前的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，利用4种波长为λ1～λ4的检测装置分别对光学系统进行检测，分别得到光学系统在波长为λ1～λ4的每点波前像差
Figure GDA0003534553900000021
以及
Figure GDA0003534553900000022
Figure GDA0003534553900000031
步骤二，将得到的每点波前像差
Figure GDA0003534553900000032
代入公式：
Figure GDA0003534553900000033
式中，
Figure GDA0003534553900000034
为波长为λm时，坐标为(xi，yi)的点对应的波前相对参考波前的偏离值，式中，i＝1，2，3，…，t，m＝1，2，3，4，当400nm≤λ1≠…≠λm≠λn≤1000nm时，0.1≤Y1≤3.4，3.6≤Y2≤7.4，1.4≤Y3≤2.5，&6.1≤Y1+Y2≤7.5，当300nm≤λ1≠…≠λm≠λn≤2500nm时，0.1≤Y1≤3.4，3.6≤Y2≤7.4，2≤Y3≤2.5，6.8≤Y1+Y2≤7.5，计算参数A1i(xi,yi)、B1i(xi,yi)，C1i(xi,yi)，D1i(xi,yi)的值；步骤三，将计算得到的A1i(xi,yi)、B1i(xi,yi)，C1i(xi,yi)，D1i(xi,yi)的值代入公式(1)中，计算光学系统在波长为λn的波前像差
Figure GDA0003534553900000035
步骤四，根据波前像差
Figure GDA0003534553900000036
得到波长为λn的光学系统完整的透射波前。
在本发明提供的检测光学系统任意波长透射波前的方法中，还可以具有这样的特征：其中，检测仪器为激光干涉仪。
在本发明提供的检测光学系统任意波长透射波前的方法中，还可以具有这样的特征：其中，光学系统为单波长系统、消色差系统以及复消色差系统中的任意一种。
在本发明提供的检测光学系统任意波长透射波前的方法中，还可以具有这样的特征：其中，光学系统为复消色差系统。
在本发明提供的检测光学系统任意波长透射波前的方法中，还可以具有这样的特征：其中，光学系统为任意形状口径。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的检测光学系统任意波长透射波前的方法，因为采用了4种波长为λ1～λ4的激光干涉仪对光学系统进行检测，得到复消色差光学系统在波长为λ1～λ4的波前。根据4种波长得到波长为λ1～λ4的每点的波前像差，然后将得到每点的波前像差值
Figure GDA0003534553900000041
代入公式
Figure GDA0003534553900000042
代入公式：
Figure GDA0003534553900000043
计算参数A1i(xi,yi)、A2i(xi,yi)，…，A3i(xi,yi)值，再根据公式计算任意波长λn的光学系统的波前像差，进而得到光学系统任意波长λn的整个透射波前。
所以，本发明的检测光学系统任意波长透射波前的方法能够应用在单波长系统、消色差系统以及复消色差系统中，从而解决主要的透射式光学系统任意波长波前检测的问题。不仅使得特殊波长的激光干涉仪的检测范围变大，具有广泛适用性，而且当需要检测一些特殊的光学系统时，也不需要使用造价昂贵的特殊波长的激光干涉仪进行检测，节约了检测成本。
附图说明
图1是本发明中波前像差离散点表示的示意图；
图2是本发明的实施例一中无穷共轭检测复消色差光学系统任意波长透射波前的检测装置示意图；
图3是本发明的实施例二中有限共轭检测复消色差光学系统任意波长透射波前的检测装置示意图；
图4是本发明实施例二中得到的求解波前某个离散点-波长曲线与采集的离散点-波长曲线(理论上的采集400～2400nm数据曲线)的对照图；以及
图5是本发明实施例二中得到的求解波前某个离散点-波长曲线与采集的离散点-波长曲线(理论上的采集400～2400nm数据曲线)的相对误差图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例对本发明的检测任意波长光学系统的透射波前的方法作具体阐述。
<实施例一>
图1是本发明中波前离散点表示的示意图，图2是本发明的实施例一中检测复消色差光学系统任意波长透射波前的检测装置示意图。
如图1、2所示，本实施例提供了一种检测复消色差光学系统任意波长透射波前的检测装置100，它包括四个激光干涉仪10、标准平面镜11、无穷共轭复消色差光学系统12以及反射球面镜13。四个激光干涉仪10对无穷共轭光学系统12的检测光路以及方法相同，在本实施例中，以其中一个为例做详细阐述。
用特定波长激光干涉仪10对无穷共轭复消色差光学系统12进行检测，激光干涉仪10发出平行光，经过标准平面镜11得到无穷共轭复消色差光学系统12在特定波长激光干涉仪10的波长下波前数据。本实施例中的光学系统12为无限共轭复消色差光学系统，通光孔径为圆形。
利用上述检测装置100，对复消色差光学系统任意波长透射波前进行检测，包括以下步骤：
步骤一，利用波长分别为λ1、λ2、λ3以及λ4的四种激光干涉仪对光学系统进行检测，分别得到光学系统在波长为λ1、λ2、λ3以及λ4的每点的波前像差
Figure GDA0003534553900000061
Figure GDA0003534553900000062
以及
Figure GDA0003534553900000063
步骤二，将步骤一得到的每点的波前像差
Figure GDA0003534553900000064
代入公式：
Figure GDA0003534553900000065
式中，
Figure GDA0003534553900000066
为波长为λm时，坐标为(xi，yi)的点对应的波前相对参考波面的偏离值，i＝1，2，3，…，t，t根据光学系统的形状以及分辨率进行决定，m＝1或2或3或4，
当400nm≤λ1≠…≠λm≠λn≤1000nm时，0.1≤Y1≤3.4，3.6≤Y2≤7.4，1.4≤Y3≤2.5，6.1≤Y1+Y2≤7.5，
当300nm≤λ1≠…≠λm≠λn≤2500nm时，0.1≤Y1≤3.4，3.6≤Y2≤7.4，2≤Y3≤2.5，6.8≤Y1+Y2≤7.5，
计算参数A1i(xi,yi)、A2i(xi,yi)，A3i(xi,yi)，A4i(xi,yi)的值。
在本实施例中，400nm≤λ1≠λ2≠λ3≠λ4≠λn≤1000nm，0.1≤Y1≤3.4，3.6≤Y2≤7.4，1.4≤Y3≤2.5，6.1≤Y1+Y2≤7.5。即Y1、Y2、Y3取该范围内的任意实数均可。本实施例中，Y1＝0.9，Y2＝5.6，Y3＝1.9。
步骤三，将计算得到的A1i(xi,yi)、A2i(xi,yi)，A3i(xi,yi)，A4i(xi,yi)的值再次代入上述公式(1)中，计算任意光学系统在波长为λn的波前像差
Figure GDA0003534553900000071
步骤四，根据每点的波前像差
Figure GDA0003534553900000072
得到波长为λn的光学系统完整的透射波前。
<实施例二>
图3是本发明的实施例二中有限共轭检测复消色差光学系统任意波长透射波前的检测装置示意图。
如图3所示，本实施例提供了一种检测复消色差光学系统任意波长透射波前的检测装置200，该装置包括四个激光干涉仪20、标准球面镜21、有限共轭光学系统22以及反射球面镜23。四个激光干涉仪20对有限共轭光学系统22的检测光路以及方法相同，在本实施例中，以其中一个为例做详细阐述。
用特定波长激光干涉仪20对有限共轭光学系统22进行检测，激光干涉仪20发出平行光，经过标准球面镜21得到有限共轭光学系统22在特定波长激光干涉仪20的波长下的波前数据。本实施例中的光学系统22为有限共轭复消色差光学系统，通光孔径为圆形。
利用上述检测装置200，对复消色差光学系统任意波长透射波前进行检测，包括以下步骤：
步骤一，利用波长分别为λ1、λ2、λ3以及λ4的四种激光干涉仪对光学系统进行检测，分别得到光学系统在波长为λ1、λ2、λ3以及λ4的每点的波前像差
Figure GDA0003534553900000081
Figure GDA0003534553900000082
以及
Figure GDA0003534553900000083
步骤二，将步骤一得到的每点的波前像差
Figure GDA0003534553900000084
代入公式：
Figure GDA0003534553900000085
式中，
Figure GDA0003534553900000086
为波长为λm时，坐标为(xi，yi)的点对应的波前相对参考波面的偏离值，i＝1，2，3，…，t，t根据光学系统的形状以及分辨率进行决定，m＝1或2或3或4，
当400nm≤λ1≠…≠λm≠λn≤1000nm时，0.1≤Y1≤3.4，3.6≤Y2≤7.4，1.4≤Y3≤2.5，6.1≤Y1+Y2≤7.5，
当300nm≤λ1≠…≠λm≠λn≤2500nm时，0.1≤Y1≤3.4，3.6≤Y2≤7.4，2≤Y3≤2.5，6.8≤Y1+Y2≤7.5，
计算参数A1i(xi,yi)、A2i(xi,yi)，A3i(xi,yi)，A4i(xi,yi)的值。
在本实施例中，400nm≤λ1≠λ2≠λ3≠λ4≠λn≤2400nm，0.1≤Y1≤3.4，3.6≤Y2≤7.4，2≤Y3≤2.5，6.8≤Y1+Y2≤7.5。即Y1、Y2、Y3取该范围内的任意实数均可。本实施例中，Y1＝2.6，Y2＝4.3，Y3＝2.4。
步骤三，将计算得到的A1i(xi,yi)、A2i(xi,yi)，A3i(xi,yi)，A4i(xi,yi)的值再次代入上述公式(1)中，计算任意光学系统在波长为λn的波前像差
Figure GDA0003534553900000091
步骤四，根据每点的波前像差
Figure GDA0003534553900000092
得到波长为λn的光学系统完整的透射波前。
图4是本发明实施例二中得到的求解离散点-波长曲线与采集的离散点-波长曲线(理论上的采集400～2400nm数据曲线，采样间隔为100nm)的对照图。其中，仿真曲线为采集曲线，求解复消色差曲线为波长500nm、600nm、700nm以及800nm通过本实施例中的公式求解得到的曲线。从图4可以看出，这两条曲线基本重合。
图5是本发明实施例二中得到的求解波前某个离散点-波长曲线与采集的离散点-波长曲线(理论上的采集400～2400nm数据曲线)的相对误差图。从图5可以看出，实施例二中得到的求解离散点-波长曲线与采集的离散点-波长曲线(理论上的采集400～2400nm数据曲线)的误差非常小。
此外，在本实施例中，因为400nm≤λ1≠λ2≠λ3≠λ4≠λn≤2400nm，此时Y1、Y2、Y3取满足：0.1≤Y1≤3.4，3.6≤Y2≤7.4，2≤Y3≤2.5，6.8≤Y1+Y2≤7.5范围内的任意实数时，其求解得到的曲线与图4所示的曲线也都基本重合，都在误差允许的范围内。
实施例的作用与效果
根据上述实施例所涉及的检测光学系统任意波长透射波前的方法，因为采用了4种波长为λ1～λ4的激光干涉仪对光学系统进行检测，得到复消色差光学系统在波长为λ1～λ4的波前。进而得到4种波长波前上每点的波前像差，然后将每点的波前像差值
Figure GDA0003534553900000101
代入公式
Figure GDA0003534553900000102
代入公式：
Figure GDA0003534553900000103
计算参数A1i(xi,yi)、A2i(xi,yi)，…，A3i(xi,yi)值，再根据公式计算光学系统在任意波长λn时的每点波前像差，进而得到光学系统任意波长λn的整个透射波前。
所以，上述实施例的检测光学系统任意波长透射波前的方法能够应用在单波长系统、消色差系统以及复消色差系统中，从而解决主要的透射式光学系统任意波长波前检测的问题，并且被检光学系统的通光口径形状不受限制。不仅使得特殊波长的激光干涉仪的检测范围变大，具有广泛适用性，而且当需要检测一些特殊的光学系统时，也不需要使用造价昂贵的特殊波长的激光干涉仪进行检测，节约了检测成本。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
在上述实施例中，检测装置均为菲索干涉仪，在实际应用中，激光干涉仪还可以为泰曼格林干涉仪。
在上述实施例中，检测的系统口径均为圆形，在实际应用中，检测的系统口径还可以为任意形状。
在上述实施例中，检测的系统均为复消色差系统，在实际应用中，检测的系统还可以为单波长系统或消色差系统。

Claims (5)

1.一种检测光学系统任意波长透射波前的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，利用4种波长为λ1～λ4的检测装置分别对光学系统进行检测，分别得到光学系统在波长为λ1～λ4的每点波前像差
Figure FDA0003566091270000011
Figure FDA0003566091270000012
Figure FDA0003566091270000013
Figure FDA0003566091270000014
以及
Figure FDA0003566091270000015
Figure FDA0003566091270000016
步骤二，将得到的每点波前像差
Figure FDA0003566091270000017
代入公式：
Figure FDA0003566091270000018
式中，
Figure FDA0003566091270000019
为波长为λm时，坐标为(xi，yi)的点对应的波前相对参考波面的偏离值，
式中，i＝1，2，3，…，t
m＝1，2，3，4
当400nm≤λ1≠…≠λm≠λn≤1000nm时，0.1≤Y1≤3.4，3.6≤Y2≤7.4，1.4≤Y3≤2.5，6.1≤Y1+Y2≤7.5，
当300nm≤λ1≠…≠λm≠λn≤2500nm时，0.1≤Y1≤3.4，3.6≤Y2≤7.4，2≤Y3≤2.5，6.8≤Y1+Y2≤7.5，
计算参数A1i(xi，yi)、B1i(xi，yi)，C1i(xi，yi)，D1i(xi，yi)的值；
步骤三，将计算得到的A1i(xi，yi)、B1i(xi，yi)，C1i(xi，yi)，D1i(xi，yi)的值代入公式(1)中，计算光学系统在波长为λn的波前像差
Figure FDA00035660912700000110
步骤四，根据波前像差
Figure FDA00035660912700000111
得到波长为λn的光学系统完整的透射波前。
2.根据权利要求1所述的检测光学系统任意波长透射波前的方法，其特征在于：
其中，所述检测装置为激光干涉仪。
3.根据权利要求1所述的检测光学系统任意波长透射波前的方法，其特征在于：
其中，所述光学系统为单波长系统、消色差系统以及复消色差系统中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的检测光学系统任意波长透射波前的方法，其特征在于：
其中，所述光学系统为复消色差系统。
5.根据权利要求1所述的检测光学系统任意波长透射波前的方法，其特征在于
其中，所述光学系统为任意形状口径。
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