CN1427242A - 利用全息图和凹形表面测量非球面的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于测量非球面的方法和装置。非球面测量装置包括：产生入射光的干涉仪；具有非球面的测试件，入射光被该测试件反射成测试光；设置在入射光光路上的第一光学元件，至少有一个带有全息图的表面，用于把入射光向测试件衍射；和设置在第一光学元件后面的第二光学元件，把入射光透向非球面，并具有一个凹面，以便减小测试光从非球面反射后进入全息图的入射角。或者，可以用带有全息图和凹面的单光学元件代替单独的第一和第二光学元件。可以利用本装置精确地测量非球面。

Description

利用全息图和凹形表面测量非球面的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种测量非球面的装置和方法，并尤其涉及一种利用全息图测量非球面的装置和方法。

背景技术

非球面透镜被广泛地用在多种产品中，包括大屏幕投影显示系统和摄录机。朝着轻巧、高图象质量设备的发展趋势逐渐增大了非球面透镜的直径和非球面度。非球面透镜的制造需要使非球面透镜成形方面高精度和高准确度。因此，开发了一种能够利用全息和干涉仪高精度测量非球面透镜形状的装置和方法。

美国专利US5,737,079和US5,530,547中公开了一种利用计算机产生的全息图(CGH)测量非球面透镜的装置和方法。CGH是指一种通过从物体的光相位分布计算复杂的振幅分布而写入的全息图。

参见图1，美国专利US5,737,079中公开的非球面测量装置包括一个光源1，改变光路的分束器2，具有参考面4的测试板元件3，其中参考面4上写入了用于产生参考光WR的CGH5，具有非球面7的测试透镜6，和成像平面10，从非球面7反射的测试光WT和参考光WR在该平面处干涉成象。此处，CGH作为玻璃上的铬(chrome-on-glass)被写入到参考面4上。标号8表示孔径平面，标号8a表示孔径，标号9表示透镜。

从光源1发出的光束L1经分束器2发散为光束L2，向前传播到测试板元件3和测试透镜6。光L2透过测试板元件3，垂直进入球面7，成为光束L3，并且被反射到与测试光WT相同的光路上。参考写入光WR对应于在写入到测试板元件3参考面4上的CGH5处衍射的光束L2。

非球面测量装置有一种Fizeau干涉仪结构，其中测试板元件3与其它光学元件对准，从而为参考光WR和测试光WT提供了一条公共路径。该装置通过从象平面10上的干涉条纹相对于零位干涉条纹的偏差中读取非球面误差来测量非球面。零位干涉条纹反映了没有干涉条纹形成这样一个事实。

在非球面测量装置中，带有CGH5的测试板元件3需要很高的表面精度以作为参考光WR和测试光WT反射入设光。尤其是，当测试板元件3放置在测试透镜6之前时，测试板元件3的表面精度对入射光作为测试光WT穿过测试板元件3非常重要，但是，很难制造这样高表面精度的测试板元件3。需要高精度测试板元件3的另一个原因在于它产生参考光WR。

在非球面测量装置中，测试板元件3的CGH5形成为玻璃上的铬以透射光。透明相位型CGH不能用于CGH5。与铝类似，铬提供一个不透明的类银涂层。CGH5包括铬的不透明部分和玻璃的透明部分。玻璃上的铬型CGH5分别将入射光透射并作为测试光WT和参考光WR反射。因为透明相型CGH全部透过入射光，所以不能用透明型CGH产生参考光和测试光。因此，需要用铝涂覆CGH的后面以将一部分入射光作为测试光反射。

当参考光WR和测试光WR的光路在此非球面测量装置中不是共同的时，由于环境因素、如外部震动，会产生测量误差。为此，在非球面测量装置中使用了参考光和测试光沿共同光路传播的Fizeau干涉仪，以将测量误差减到最小。

图2表示美国专利US5,530,547中公开的另一个常规的CGH校准和非球面测试装置。参见图2，在常规的CGH校准装置中，具有基座11和可拆卸地固定到基座11的架板13的光学架17与其中安置光学元件如CGH或CGH零位补偿器的框架17彼此平行分布。框架17可释解地耦接到架板。

在CGH校准装置中，由干涉系统产生球面测试光束，从而在光束被CGH衍射之后产生干涉条纹。相对于基座11调节架板13，以把测试光束衍射到架板上，由此产生零位干涉条纹。基座11具有调节耦接到架板13上的框架15的螺丝。通过螺丝调节安置在框架15上的CGH直到产生零位干涉条纹。产生零位干涉条纹之后，从框架15中移出CGH，并且安置CGH零位补偿器以便测试非球面透镜。

在图2所示的非球面测试装置中，因为基座11和基板13互相对准，所以很可能导致机械调节误差。因此，不能用本装置精确地测试极度的非球面透镜。

另外，由于CGH光栅间距的限制，常规的非球面测试装置不能用于精确地测试极度的球面透镜。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种高精度测量非球面、尤其是极度非球面光学元件的装置和方法，其中的光学系统由干涉仪、不需要高表面精度的光学元件和具有大光栅空间的全息图简单地构成。

一方面，本发明提供一种用于测量非球面的装置，包括：产生入射光的干涉仪；具有非球面的测试件，该非球面将入射光作为测试光反射；设置在入射光光路上的第一光学元件，至少有一个带有全息图的表面，用于把入射光向测试件衍射；和设置在第一光学元件后面的第二光学元件，把入射光透向非球面，并具有一个凹面，以便减小测试光从非球面反射后进入全息图的入射角。

优选第一光学元件还包括一个凹面，并且第二光学元件还包括一个带有全息图的表面。

在本装置中，入射光垂直进入测试件的非球面之后作为测试光被反射，并且测试光沿公共光路向入射光传播。

优选本装置还包括一个在测试件之后的球面镜。优选全息图是一个计算机产生的全息图(CGH)。

另一方面，本发明提供了一种测量非球面的方法，包括：(a)由光路改变器把光源发出的光束分成入射光和参考光；(b)使入射光通向带有全息图的第一光学元件，由全息图衍射入射光；(c)被全息图衍射的入射光透过具有凹面的第二光学元件；(d)透过凹面的入射光被带有非球面的测试件作为测试光反射；和(e)从测试光和参考光的干涉条纹中测出非球面中的误差。

优选在(d)中，入射光垂直进入测试件的非球面，并且从非球面反射的测试光沿公共光路向入射光传播。

优选在(d)中，入射光透过测试件，垂直进入设置在测试件后面的球面镜，并且作为测试光从球面反射镜处反射，并且从球面反射镜反射的测试光沿公共光路向入射光传播。

在(e)中，从测试光和参考光的干涉条纹与零位干涉条纹的偏差中测出非球面误差。

优选全息图是由计算机产生的全息图(CGH)。

在本发明的方法中，当测试件有一个凸非球面时，利用下列方程计算凸非球面中的误差： $S_2=\frac{1}{2(n-1)}[2S_1(n-1)-\mathrm{TRW}]$

此处S₁表示第二光学元件的凹面中的误差，S₂表示测试件凸非球面中的误差，n表示测试件的折射率，TRW表示透射波前。

另外，本发明提供了一种测量非球面的装置，包括：产生入射光的干涉仪；具有非球面的测试件，入射光被该测试件反射成测试光；设置在入射光光路上的一光学元件，有一个把入射光向测试件衍射的全息图和一个凹面，以减小入射光进入全息图的入射角。在该装置中，入射光垂直进入测试件的非球面之后被反射成测试光，并且测试光沿公共光路向入射光传播。

根据本发明，通过利用Fizeau干涉仪或Twymann-Green干涉仪产生参考光，并且只有测试光入射到用在非球面测量中的光学元件上。因此，光学元件不需要很高的精度。把带有一个凹面的光学元件布置在带有全息图的光学元件之后，或者把带有全息图的光学元件和凹面布置成一体，使得凹面朝向测试件。结果，光入射到全息图上的入射角减小，并且全息图的光栅间距增大。因此，可以利用本发明的装置精确地测量极度非球面测试件。

附图说明

通过参考附图对实施例的详细描述，本发明的上述目的和优点将变得更加清晰，其中：

图1是美国专利US5,737,079中公开的常规非球面测量装置；

图2是美国专利US5,530,547中公开的另一常规非球面测量装置；

图3A是根据本发明非球面测量装置的第一实施例；

图3B是根据本发明非球面测量装置的第二实施例；

图4A～4C是根据本发明非球面测量装置的光学元件的第一至第四实施例；

图5图示了本发明非球面测量装置实施例中使用的计算机产生的全息图(CGH)的光栅间距与进入CGH的光的入射角之间的关系；

图6A～6G表示用在本发明的非球面测量装置中的具有凹面以减小CGH光栅间距的模拟光学元件；

图7是根据本发明非球面测量装置的第三实施例；

图8是用在本发明非球面测量装置实施例中的Fizeau干涉仪；

图9是用在本发明非球面测量装置实施例中的Twymann-Green干涉仪；

图10A表示本发明非球面测量方法实施例测试的凹非球面的零位条纹干涉图；

图10B和10C分别是本发明非球面测量方法实施例测试的凹非球面的二维和三维相位图；

图11A是本发明非球面测量方法另一实施例测试的凸非球面的零位条纹干涉图；

图11B是本发明非球面测量方法另一实施例测试的凸非球面透射波前的二维相位图；

图12A和12B分别表示通过本发明的方法测试凸非球面时利用方程3获得的二维和三维相位图；

图13表示本发明的非球面测量方法中用两个参考线标记精确度的光学元件的凹面。

具体实施方式

下面将参考附图详细描述本发明测量非球面的装置和方法的实施例。附图中为了清楚，放大了元件的大小和厚度。

图3A和3B中分别表示根据本发明测量非球面的装置的第一和第二实施例。参见图3A，根据本发明第一实施例的非球面测量装置包括一个干涉仪31；会聚从干涉仪31发出的光的会聚透镜33；空间调制会聚光的频率的空间滤光片35；第一光学元件37，具有分别衍射和发散来自空间滤光片35的入射光Li的全息图34和凹面30；和具有非球面38的测试件39，来自第一光学元件37的光被测试件39反射成测试光Lt。优选地全息图34是一种计算机产生的全息图(CGH)。空间滤光片35用于阻挡无用阶衍射光束。

参见图3B，在本发明第二实施例的非球面测量装置中，干涉仪31、会聚透镜33、空间滤光片35和测试件39与图3A的第一实施例相同。但是，第二光学元件67在其主体中有一个全息图64和凹面60。因此，与第一光学元件37不同，可以把第二光学元件67构成为单光学元件。

在图3A和3B的非球面测量装置中，入射光L1从干涉仪31中发出，透过会聚透镜的同时汇向空间滤光片35，透过具有各自的全息图34和64和各自的凹面30和60的第一和第二光学元件37和67，并且传向测试件39。光L1垂直进入测试件39的非球面38并被反射成测试光Lt，其中进入非球面38的光L1的光路和从非球面38反射的测试光Lt的光路相同。

图4A～4C表示用在本发明非球面测量装置中的第一光学元件37的实施例。参见图4A～4C，第一光学元件37a、37b和37c包括各自的第一光学元件32a、32b、32c和各自的第二光学元件36a、36b、36c。第一光学元件32a、32b、32c分别至少有一个全息图34a、34b和34c，并且第二光学元件36a、36b和36c分别有一个凹面30a、30b和30c，入射光从中发出。

图4A～4C中所示的三类第一光学元件彼此的不同之处在于全息图34a、34b和34c形成在不同的表面上。考虑到测试件39的非球面度以及入射光Li的入射角选择合适的光学元件，并且将第一光学元件32a、32b或32c和第二光学元件36a、36b或36c适当隔开，从而精确地测试测试件39的非球面38。

图5表示用作一维衍射光栅的CGH的原理。具有一个普通的一维衍射光栅的全息图34a的光栅间距表示成下列方程(2)：

S(sinθ_n+sinθ_m)＝d_n+d_m＝mλ    …(2)

此处S表示光栅间距，θ_n表示光进入光栅的入射角，θ_m表示入射光被光栅衍射的衍射角，m＝0，±1，±2，...。从上述方程2清楚地看到，全息图34a的光栅间距S依赖于入射角θ_n以及入射光波长λ恒定时的衍射角θ_m。入射角θ_n越大，光栅间距S越小。

当光栅间距S较小时，更难制造用在本发明非球面测量装置中的全息图34。因此，需要减小测试光Lt进入全息图34的入射角，从而制造具有较大光栅间距的全息图34。

为此，在将具有全息图34的第一光学元件32之后布置一个带凹面的透镜，如图3所示，从而减小测试光Lt的入射角并写下全息图34。

在本发明非球面测量装置的实施例中，凹面30朝向测试件39的第二光学元件36设置在第一光学元件32之后，第一光学元件32上通过减小测试光Lt被非球面38反射之后进入全息图34的入射角而被写上全息图34的

当实际使用激光束、不用凹透镜地制造相位型CGH时，最小光栅间距为1μm。但是，当采用凹透镜制造CGH时，CGH的最大光栅间距增大到3μm。当利用激光写入机制作CGH时，光栅间距限制在3μm。

图6A～6G表示用在本发明的非球面测量装置中的具有凹面以减小CGH光栅间距的模拟光学元件。

如图6A所示，当把CGH64a写到用在非球面测量装置中平面透镜67a的一个表面上与干涉仪31面对时，CGH64a具有2微米的最小光栅间距。

参见图6B，图中布置了一个平面第一光学元件62b和平面朝向待测非球面38、且凹向第一光学元件62b的第二光学元件66b。在此状态中，当把CGH 64b写到第一光学元件62b朝向干涉仪31的表面上时，CGH 64b的最小光栅间距略微增大到2.9微米。如图6C所示，关于平面朝向干涉仪31且凹面朝向非球面38的光学元件67c，当把CGH 64c写到光学元件64c的平面表面上时，CGH 64c的最小光栅间距增大到大约3.7微米。

如图6D所示，当把具有凹面的第二光学元件66d布置在平面第一光学元件62d的后表面上，使得凹面面对非球面38并且CGH64d写到第一光学元件62d面对干涉仪31的凹面上时，CGH64d的最小光栅间距约为3.7微米，与图6C所示的结构相同。或者，如图6E所示，当第一光学元件62e有一个面朝干涉仪31的平面表面和在相反方向的凹面时，第二光学元件66e有一个面朝第一光学元件62e的凹面和面朝非球面38的平面表面，并且CGH64e写到第一光学元件62e面朝干涉仪31的平面表面上，CGH62e的最小光栅间距增大到约为5微米。

参见图6F，当第一光学元件62f有一个面朝干涉仪31的平面表面和一个在相反方向的凹面时，第二光学元件66f具有面朝第一光学元件62f的平面表面和面朝非球面38的凹面，并且CGH64f被写到第一光学元件62f面朝干涉仪31的平面表面上时，CGH64f的最小光栅间距增大到约为6.5微米。如图6G所示，当第一光学元件62g具有朝向干涉仪31的平面表面和相反方向的凹面、第二光学元件66g具有面朝第一光学元件62g的反向凹面和非球面38，并且CGH64g被写到第一光学元件62g面朝干涉仪31的平面表面上时，CGH64g的最小光栅间距增大到约为15微米。

从图6A～6G的模拟图中明显看出，CGH的光栅间距随第一和第二光学元件中凹面数的增加而增大。

图7中示出了本发明测量非球面的装置的第三实施例。图7所示的非球面测量装置的光学系统与图3A所示本发明第一实施例的非球面测量表面相同，除了会聚透镜33用作发散透镜33、并且在具有非球面38的测试件39之后还布置球面反射镜之外。

不布置球面反射镜40的地方，入射光垂直进入非球面38，被非球面38反射成测试光Lt，并且沿着与光进入非球面38时相同的光路向干涉仪31传播。当布置球面反射镜40时，如图7所示，入射光透过非球面38，垂直进入球面反射镜40的表面，被球面反射镜40反射成测试光Lt，透过具有非球面38和全息图34的测试件39并向干涉仪31传播，其中入射光和测试光Lt沿公共光路传播。尤其是，当非球面38为凸面时，最好把球面反射镜29组合到非球面测量装置中，从而引发透射波前(TRW)。

在根据本发明第三实施例的非球面测量装置中，当测试件39有一个抗反射涂层并且非球面38为凸面时，在使用球面反射镜40和不使用球面反射镜40的两种情况下，到达干涉仪31的光量极大的不同。

特别是，当不使用球面反射镜时，到达干涉仪31的光量等于透过凹面30的光量(0.98)、从图非球面38反射的光量(0.02)和反射后透过凸面30的光量(0.98)之积。当使用球面反射镜40时，到达干涉仪31的光量等于透过凹面30的光量(0.98)、透过凸非球面38的的光量(0.98)、从球面反射镜40反射的光量(0.99)和反射后透过凸非球面38的光量(0.98)以及透过凹表面30的光量(0.98)之积。显然，使用球面反射镜40大大增加了到达干涉仪31的光量。到达干涉仪51的较多的光量提高了对比度，并且显示出更明显的零位干涉条纹。

当测试件39没有抗反射涂层时对上述光量测量获得类似的结果。球面反射镜40的另一个功能是减小关于全息图34的光入射角。与把从测试件39的非球面38反射的光用作测试光Lt的情形相比，球面反射镜40的使用使得能够在第一光学元件32上形成具有较大间距的光栅作为CGH。因此，可以很容易地形成具有较大间距的CGH。

在本发明非球面测量装置的第一至第三实施例中，使用图8所示的Fizeau干涉仪和图9所示的Twymann-Green干涉仪产生测试光Lt、参考光Lr和干涉条纹。

参见图8，Fizeau干涉仪31包括一个光源41；一个会聚从光源41发出的光的会聚透镜42；一个衍射光束并透射特定阶的衍射光线的滤光片43；参考光Lr和测试光Lt的干涉图象在该处形成的象平面49；光路改变器45，其对入射光Li分束，将部分入射光Li作为参考光Lr向象平面49传播，并把另一部分入射光Li作为用于非球面测量的入射光Li’透向非球面测量单元50；和一个准直入射光Li’的准直透镜47。光路改变器45可以与分束器一起使用。

光源Lt发出激光束，其中部分激光束作为入射光Li向非球面测量单元50传播，另一部分激光束作为参考光Lr传播。

会聚透镜42把光源41发出的激光束汇向光路改变器45。设置在会聚透镜42和光路改变器45之间光路上的滤光片43只透过具有最佳强度的特定波长范围内的光。

光路改变器45把入射光的90％的光的光路改向象平面49，作为参考光Lr，并且把其它部分的入射光透向非球面测量单元50。

准直透镜47准直透过光路改变器45的入射光Li’。发散透镜还可以设置在准直透镜47之后，会聚准直透镜47准直的入射光Li’。发散透镜提供与图3所示非球面测量装置中会聚透镜33相同的功能。

透过Fizeau干涉仪31的入射光Li传向非球面测量单元50。入射光L1透向光学元件37，被非球面30反射成测试光Lt并返回Fieau干涉仪31。当测试光Lt入射到Fizeau干涉仪31时，测试光Lt的光路被光路改变器45向象平面49改变90°。测试光Lt与参考光Lr干涉，在象平面49上形成干涉条纹。

图9是用在本发明实施例中的具有Twymann-Green干涉仪的非球面测量装置。参见图9，Twymann-Green干涉仪31’包括光源51；参考反射镜52，入射光中被分成参考光Lr、沿不同于入射光的光路传播的一部分在该参考反射镜52表面被反射；象平面56，参考光Lr和测试光Lt的干涉图象形成在该平面上；和光路改变器54，从光源51发出的光被分成参考光Lr和入射光Li’，从参考反射镜52反射的参考光Lr透向象平面49，并且入射光L1’透向非球面测量单元。光路改变器54可以与分束器一起使用。

在图9的Twymann-Green干涉仪31’中，光源51和光路改变器54与图8所示的Fizeau干涉仪31相同。Twymann-Green干涉仪31’和Fizeau干涉仪31最大的不同在于参考光Lt的光路。如图9所示，在Twymann-Green干涉仪31’中，参考光Lt被光路改变器54反射向参考反射镜52并从参考反射镜的表面反射，经光路改变器54沿与来自测试件39的测试光Lt相同的光路传向象平面56。但是，在Fizeau干涉仪31中，被光路改变器54分开的参考光直接传向象平面49，如图8所示。

当使用如图3A所示包括带全息图34的第一光学元件32和带凹面30的第二光学元件36的非球面测量装置时，本发明第一实施例的测量非球面的方法包括利用光路改变器45把光源41(见图8)发出的光分成入射光Li’和参考光Lt，将入射光Li’透向带有全息图34的第一光学元件32以衍射入射光Li’，将全息图34衍射的入射光Li’透过第二光学元件36的凹面，在具有非球面38的测试件39处将透过凹面38的入射光Li反射呈测试光Lt，并且从象平面49上测试光Lt和参考光Lr的干涉条纹中测量非球面38的误差。

当使用如图3B所示的包括带有全息图64和凹面60的光学元件67的非球面测量装置时，根据本发明第二实施例测量非球面的方法包括通过利用光路改变器45把从光源41(见图8)发出的光分成入射光Li’和参考光Lt，使入射光Li’透过带有全息图34和凹面30的光学元件67；在带有非球面38的测试件39处把透过光学元件67的入射光Li’反射成测试光Lt，和从象平面49上的测试光Lt和参考光Lr产生的干涉条纹中测量非球面38的误差。

在根据本发明非球面测量方法的上述实施例中，构成的全息图34和64为测试光Lt和入射光Li提供一条公共光路，并且最好形成为CGH。

或者，当在非球面测量装置中把球面反射镜40布置在测试件39之后时，如图7所示，透过测试件39的测试光Lt从球面反射镜40的表面反射，垂直进入测试件39的非球面38，沿与入射光Li’相同的光路透过测试件39和全息图34，形成透射波前(TRW)。当测试件39的非球面38为凸面时更优选使用球面反射镜40。

优选在光源41和第一光学元件32或光学元件67之间的光路上设置光路改变器45或54，以转变入射光Li’和参考光Lr的方向。

在本发明非球面测量方法的第一和第二实施例中，从测试光Lt和参考光Lr的干涉条纹相对于零位参考条纹的偏差中测量非球面38的误差。

图10A到10C是利用3A所示的本发明的非球面测量装置和方法获得的凹非球面的干涉图。图10A表示凹非球面产生的零位条纹，图10B和图10C分别表示测试件的凹非球面的二维和三维相位图。

当利用本发明的非球面测量装置和测量方法测试新制造的非球面透镜时，干涉图中的零位条纹，如图10A所示，意味着测试的非球面透镜是一个精确的良好透镜。零位条纹的相位图接近平面并具有一个零值。

但是，对于处理不完善的非球面透镜，产生如图10B和10C所示的相位图。参见图10B和10C，图10B中的灰色区域对应于图10C中的峰，图10B中的暗区对应于图10C中的谷。在图10B和10V的相位图中，非球面透镜具有大约7个波峰-谷误差。因此，通过进一步处理非球面如消除7个波，可以获得精确的非球面。

图11A和11B表示当利用图3B所示本发明第二实施例的非球面测量装置及其方法进行测试时，对于凸非球面的测试光和参考光的干涉图，其中被全息图衍射并透过光学元件凹面的入射光从凸非球面反射成测试光，用参考光对干涉波前成像。图11A和图11B分别是利用Fizeau干涉仪和平凹透镜的非球面测量装置获得的透射波前(TRW)的零位全息图和二维相位图。

TRW表示成方程(3)：

TRW＝-2S₁(n-1)-2S₂(n-1)    (3)

此处S₁表示光学元件凹面的结构(figure)误差，S₂表示测试件的凸非球面的结构误差，n表示测试件的折射率。当上述方程(3)换算S₂时，得到方程1，并且可以利用方程1计算凸非球面的结构误差S₂。

对于上述方程(1)中表达的相位映射，从凹面的结构误差S₁中减去TRW时，在凹面上标两个参考点，如图13所示，由此对每次测量固定干涉仪的变焦位置。

图12A和12B分别表示利用方程(3)获得的二维和三维相位图。如图12A和12B所示，测试件的凸非球面有2.9个波形的均方根(RMS)结构误差和14.1个波形的峰谷表面结构误差。

根据本发明的测量非球面的装置使用一个带凹面的光学元件减小光的入射角以增大全息图的光栅间距。因此，可以很容易地制作带有增大的光栅间距的全息图。

在根据本发明的测量非球面的装置和方法中，极度非球面测试件的表面可以通过使用一个带全息图和凹面的光学元件精确地测量。

在根据本发明的测量非球面的装置和方法中，只有测试光透过光学元件的全息图和凹面，可以使用精度比较差的凹面光学元件。因此，因为不需要对测试光和参考光精确地匹配光路，所以可以使用Twymann-Green干涉仪以及Fizeau干涉仪。另外，可以把玻璃上的铬型CGH和相位型CGH用作全息图。

虽然以上已经参考实施例对本发明做了特别的说明，但本发明的上述实施例只出于举例说明的目的，并不限定本发明的范围。

例如，本领域的技术人员将会理解，可以合并任何带有凹面和不同类型的全息图的光学元件以构成本发明的非球面测量装置。因此，本发明的实质和范围将由权利要求而非实施例的描述来限定。

如上所述，根据本发明的非球面测量装置和方法的优点在于具有较大非球面度的透镜可以利用凹型光学元件和带有小入射角和大光栅间距的全息图进行精确地测量。可以利用各种干涉仪和CGH以及带有较差表面精确度的凹型光学元件，由此降低非球面测量装置的制造成本。

Claims (27)

1.一种用于测量非球面的装置，包括：

产生入射光的干涉仪；

具有非球面的测试件，入射光被该测试件反射成测试光；

设置在入射光光路上的第一光学元件，至少有一个带有全息图的表面，用于把入射光向测试件衍射；和

设置在第一光学元件后面的第二光学元件，把入射光透向非球面，并具有一个凹面，以便减小测试光从非球面反射后进入全息图的入射角。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于第一光学元件还包括一个凹面。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于第二光学元件还包括一个带有全息图的表面。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于入射光垂直进入测试件的非球面之后被反射成测试光，并且测试光沿公共光路向入射光传播。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括一个在测试件之后的球面镜。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于全息图是一个计算机产生的全息图(CGH)。

7.一种测量非球面的方法，包括：

(a)由光路改变器把光源发出的光束分成入射光和参考光；

(b)使入射光通向带有全息图的第一光学元件，由全息图衍射入射光；

(c)被全息图衍射的入射光透过具有凹面的第二光学元件；

(d)透过凹面的入射光被带有非球面的测试件反射成测试光；和

(e)从测试光和参考光的干涉条纹中测出非球面中的误差。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于在(d)中，入射光垂直进入测试件的非球面，并且从非球面反射的测试光沿公共光路向入射光传播。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于在(d)中，入射光透过测试件，垂直进入设置在测试件后面的球面镜，并且从球面镜处反射成测试光，并且从球面镜反射的测试光沿光路向入射光传播。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于在(e)中，从测试光和参考光的干涉条纹与零位干涉条纹的偏差中测出非球面误差。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于在(e)中，从测试光和参考光的干涉条纹与零位干涉条纹的偏差中测出非球面误差。

12.如权利要求7所述的方法，其特征在于全息图是由计算机产生的全息图(CGH)。

13.如权利要求10所述的方法，其特征在于当测试件有一个凸非球面时，利用下列方程计算凸非球面中的误差： $S_2=\frac{1}{2(n-1)}[2S_1(n-1)-\mathrm{TRW}]$

此处S1表示第二光学元件的凹面中的误差，S2表示测试件凸非球面中的误差，n表示测试件的折射率，TRW表示透射波前。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于当测试件有一个凸非球面时，利用下列方程计算凸非球面中的误差： $S_2=\frac{1}{2(n-1)}[2S_1(n-1)-\mathrm{TRW}]$

此处S1表示第二光学元件的凹面中的误差，S2表示测试件凸非球面中的误差，n表示测试件的折射率，TRW表示透射波前。

15.一种测量非球面的装置，包括：

产生入射光的干涉仪；

具有非球面的测试件，入射光被该测试件反射成测试光；

设置在入射光光路上的光学元件，有一个把入射光向测试件衍射的全息图和一个以减小入射光进入全息图的入射角的凹面。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于入射光垂直进入测试件的非球面之后被反射成测试光，并且测试光沿公共光路向入射光传播。

17.如权利要求15所述的装置，其特征在于还包括一个在测试件之后的球面镜。

18.如权利要求15所述的装置，其特征在于光学元件还包括一个凹面上的全息图。

19.如权利要求15所述的装置，其特征在于全息图是一个计算机产生的全息图(CGH)。

20.一种测量非球面的方法，包括：

(a)由光路改变器把光源发出的光束分成入射光和参考光；

(b)使入射光透过带有全息图和凹面的光学元件；

(c)透过光学元件的入射光被带有非球面的测试件反射成测试光；和

(d)从测试光和参考光的干涉条纹中测出非球面中的误差。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于在(c)中，入射光垂直进入测试件的非球面，并且从非球面反射的测试光沿公共光路向入射光传播。

22.如权利要求20所述的方法，其特征在于在(c)中，入射光透过测试件，垂直进入设置在测试件后面的球面镜，并且从球面镜处反射成测试光，并且从球面镜反射的测试光沿光路向入射光传播。

23.如权利要求20所述的方法，其特征在于在(d)中，从测试光和参考光的干涉条纹与零位干涉条纹的偏差中测出非球面误差。

24.如权利要求22所述的方法，其特征在于在(d)中，从测试光和参考光的干涉条纹与零位干涉条纹的偏差中测出非球面误差。

25.如权利要求20所述的方法，其特征在于全息图是由计算机产生的全息图(CGH)。

26.如权利要求23所述的方法，其特征在于当测试件有一个凸非球面时，利用下列方程计算凸非球面中的误差： $S_2=\frac{1}{2(n-1)}[2S_1(n-1)-\mathrm{TRW}]$

此处S1表示第二光学元件的凹面中的误差，S2表示测试件凸非球面中的误差，n表示测试件的折射率，TRW表示透射波前。

27.如权利要求24所述的方法，其特征在于当测试件有一个凸非球面时，利用下列方程计算凸非球面中的误差： $S_2=\frac{1}{2(n-1)}[2S_1(n-1)-\mathrm{TRW}]$

此处S1表示第二光学元件的凹面中的误差，S2表示测试件凸非球面中的误差，n表示测试件的折射率，TRW表示透射波前。

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