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      快速、準(zhǔn)確的光學(xué)非球面的實(shí)時(shí)檢測方法

      文檔序號:6175630閱讀:1179來源:國知局
      快速、準(zhǔn)確的光學(xué)非球面的實(shí)時(shí)檢測方法
      【專利摘要】一種快速、準(zhǔn)確的光學(xué)非球面的實(shí)時(shí)檢測方法,利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件仿真出旋轉(zhuǎn)軸對稱光學(xué)非球面相對于最接近球面的波像差,使用數(shù)字波面干涉儀利用球面鏡頭直接測量出旋轉(zhuǎn)軸對稱光學(xué)非球面相對于鏡頭參考面的波像差,經(jīng)過一些數(shù)學(xué)運(yùn)算,將兩者像素一一對應(yīng),然后做差法運(yùn)算,即可得到非球面實(shí)際面形與理論面形的殘差分布,從而實(shí)現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)軸對稱光學(xué)非球面的實(shí)時(shí)檢測。本發(fā)明具有快速、準(zhǔn)確、檢測范圍廣等優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的市場前景。本檢測方法可以檢測非球面的最大非球面度和非球面度梯度取決于數(shù)字波面干涉儀內(nèi)CCD的分辨率。
      【專利說明】快速、準(zhǔn)確的光學(xué)非球面的實(shí)時(shí)檢測方法
      [0001]本申請是申請?zhí)?201210421308.4、申請日:2012.10.29、名稱“旋轉(zhuǎn)軸對稱光學(xué)非球面的實(shí)時(shí)檢測方法”的分案申請。
      【技術(shù)領(lǐng)域】
      [0002]本發(fā)明屬于先進(jìn)光學(xué)制造和檢測【技術(shù)領(lǐng)域】。
      【背景技術(shù)】
      [0003]旋轉(zhuǎn)軸對稱光學(xué)非球面主要包含旋轉(zhuǎn)軸對稱二次曲面和旋轉(zhuǎn)軸對稱高次曲面。高精度光學(xué)非球面元件面形的檢測主要采用干涉檢測技術(shù)。在該項(xiàng)技術(shù)中,無像差點(diǎn)檢測和零位補(bǔ)償干涉檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于非球面拋光階段的面形檢測。
      [0004]所謂的無像差點(diǎn)檢測是指根據(jù)費(fèi)馬原理,光線從一點(diǎn)傳到另外一點(diǎn),經(jīng)過任意多次折射或反射,其光程為極大值或極小值,也就是說光程是定值,光學(xué)上把這樣的點(diǎn)成為無像差點(diǎn),利用無像差點(diǎn)檢測非球面的方法稱為無像差檢測。
      [0005]此類無像差點(diǎn)檢測方法具有一定的缺點(diǎn),具體表現(xiàn)在無像差點(diǎn)檢測主要用于檢測旋轉(zhuǎn)軸對稱二次曲面,不能檢測旋轉(zhuǎn)軸對稱高次曲面;無像差點(diǎn)檢測一般需要標(biāo)準(zhǔn)球面或球面構(gòu)成自準(zhǔn)直檢測光路,且光路調(diào)整復(fù)雜,耗時(shí)。
      [0006]零位補(bǔ)償干涉檢測技術(shù)是指利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件,如ZEMAX,CODE V等,設(shè)計(jì)一種帶有特定波像差的光學(xué)系統(tǒng),稱之為零位補(bǔ)償器,其中的零位補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)是基于理想非球面的,檢驗(yàn)光束經(jīng)由數(shù)字波面干涉儀出射至補(bǔ)償器,光束經(jīng)過補(bǔ)償器再經(jīng)被檢非球面反射,再次經(jīng)過補(bǔ)償器后回到干涉儀,從而實(shí)現(xiàn)待檢非球面元件面形的檢測。
      [0007]此類零位補(bǔ)償檢測不但能夠檢測旋轉(zhuǎn)軸對稱二次非球面也可以檢測旋轉(zhuǎn)軸對稱高次非球面。但是這種檢測方法也有一定的缺點(diǎn),具體表現(xiàn)在針對不同面形的非球面元件,需要設(shè)計(jì)不同的補(bǔ)償器,同時(shí)為了獲得高精度的測量結(jié)果,要求在設(shè)計(jì)補(bǔ)償器時(shí),一方面使之能夠很好地校正非球面波前差,另一方面要求補(bǔ)償器各元件的厚度,曲率半徑,空氣間隔、同心度等公差分配合理。這樣補(bǔ)償器的誤差極易產(chǎn)生鬼像,而導(dǎo)致衍射環(huán)的出現(xiàn),并由于補(bǔ)償器其中某些元件的反射光與參考光發(fā)生相互干涉,從而在像面上出現(xiàn)一些偽干涉條紋,由于這些偽干涉條紋與檢測光同時(shí)發(fā)生相位移動,因此對檢測結(jié)果影響很大。補(bǔ)償器的精度不但受設(shè)計(jì)結(jié)果的影響,還會受裝調(diào)的影響,補(bǔ)償器自身精度的檢測也是個(gè)難題。補(bǔ)償檢測光路調(diào)整復(fù)雜,耗時(shí)。
      [0008]本發(fā)明不僅克服了無像差點(diǎn)不能檢測旋轉(zhuǎn)軸對稱高次非球面,也克服了傳統(tǒng)零位補(bǔ)償檢驗(yàn)中補(bǔ)償器專用性,裝調(diào)復(fù)雜、耗時(shí)等缺點(diǎn),不需要標(biāo)準(zhǔn)鏡,具有快速、準(zhǔn)確、檢測范圍廣等優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的市場前景。本檢測方法可以檢測非球面的最大非球面度和非球面度梯度取決于數(shù)字波面干涉儀內(nèi)CCD的分辨率。
      [0009]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
      [0010]一種旋轉(zhuǎn)軸對稱光學(xué)非球面的實(shí)時(shí)檢測方法,其特征是:利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件,如ZEMAX, CODE V等,仿真出旋轉(zhuǎn)軸對稱光學(xué)非球面(二次曲面或者高次曲面)相對于最接近球面的波像差,稱為理論波像差,將此波像差,在極坐標(biāo)下利用zernike多項(xiàng)式(取前36項(xiàng)或37項(xiàng)均可以)進(jìn)行擬合,令x=rcos a , y=rsin α ,將極坐標(biāo)下的zernike方程轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)下的形式;使用數(shù)字波面干涉儀(如zygo, wyko, fisba, esdi等)利用球面鏡頭直接測量出旋轉(zhuǎn)軸對稱光學(xué)非球面相對于鏡頭參考面的波像差,稱為實(shí)際波像差。實(shí)際波像差用離散的三維矩陣(X,y, z)表示,X, y表示像素的位置,z表示對應(yīng)像素位置波像差的矢高。根據(jù)實(shí)際波像差的三維矩陣,確定實(shí)際波面的有效像素,以此為依據(jù)對理論波像差在直角坐標(biāo)系下的zernike多項(xiàng)式進(jìn)行像素劃分,將zernike多項(xiàng)式表示的理論波像差轉(zhuǎn)化為矩陣(X’ ,1 ,z )的形式,保證與實(shí)際波像差有效像素的分布相同,將實(shí)際波像差的矩陣和理論波像差的矩陣統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下,讓兩個(gè)波像差的像素一一對應(yīng),然后將兩個(gè)波像差的矢高做差法運(yùn)算,即Λ ζ=ζ’ -ζ,即可得到非球面實(shí)際面形與理論面形的殘差分布,從而實(shí)現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)軸對稱光學(xué)非球面的實(shí)時(shí)檢測。
      [0011]數(shù)字波面干涉儀測量出待測光學(xué)非球面的全口徑波像差,且去除位置(position),傾斜(tilt),離焦(focus)等誤差。
      [0012]本發(fā)明不僅克服了無像差點(diǎn)不能檢測旋轉(zhuǎn)軸對稱高次非球面,也克服了傳統(tǒng)零位補(bǔ)償檢驗(yàn)中補(bǔ)償器專用性,裝調(diào)復(fù)雜、耗時(shí)等缺點(diǎn),不需要標(biāo)準(zhǔn)鏡,具有快速、準(zhǔn)確、檢測范圍廣等優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的市場前景。本檢測方法可以檢測非球面的最大非球面度和非球面度梯度取決于數(shù)字波面干涉儀內(nèi)CCD的分辨率。
      【專利附圖】

      【附圖說明】
      [0013]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
      [0014]圖1是本發(fā)明的工作原理圖。
      [0015]圖2是本發(fā)明二次曲面相對于最接近比較球面的波像差圖。
      [0016]圖3是本發(fā)明二次曲面檢測光路圖。
      [0017]圖4是本發(fā)明二次曲面相對于鏡頭參考面的波像差圖。
      [0018]圖5是本發(fā)明實(shí)際二次曲面面形與理論面形的殘差分布圖。
      【具體實(shí)施方式】
      [0019]一種旋轉(zhuǎn)軸對稱光學(xué)非球面的實(shí)時(shí)檢測方法,利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件,如ZEMAX,CODEV等,仿真出旋轉(zhuǎn)軸對稱光學(xué)非球面(二次曲面或者高次曲面)相對于最接近球面的波像差,稱為理論波像差,將此波像差,在極坐標(biāo)下利用zernike多項(xiàng)式(取前36項(xiàng)或37項(xiàng)均可以)進(jìn)行擬合,令x=rcos α,y=rsin α ,將極坐標(biāo)下的zernike方程轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)下的形式;使用數(shù)字波面干涉儀(如zygo, wyko, fisba, esdi等)利用球面鏡頭直接測量出旋轉(zhuǎn)軸對稱光學(xué)非球面相對于鏡頭參考面的波像差,稱為實(shí)際波像差。實(shí)際波像差用離散的三維矩陣(X,y, ζ)表示,x,y表示像素的位置,ζ表示對應(yīng)像素位置波像差的矢高。根據(jù)實(shí)際波像差的三維矩陣,確定實(shí)際波面的有效像素,以此為依據(jù)對理論波像差在直角坐標(biāo)系下的zernike多項(xiàng)式進(jìn)行像素劃分,將zernike多項(xiàng)式表示的理論波像差轉(zhuǎn)化為矩陣(x’,y’,ζ’)的形式,保證與實(shí)際波像差有效像素的分布相同,將實(shí)際波像差的矩陣和理論波像差的矩陣統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下,讓兩個(gè)波像差的像素一一對應(yīng),然后將兩個(gè)波像差的矢高做差法運(yùn)算,即Λ ζ=ζ' -ζ,即可得到非球面實(shí)際面形與理論面形的殘差分布。[0020]數(shù)字波面干涉儀能夠測量出待測光學(xué)非球面的全口徑波像差,且需要去除位置(position),傾斜(tilt),離焦(focus)等誤差。
      [0021]利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件,如ZEMAX,CODEV等,對旋轉(zhuǎn)軸對稱非球面進(jìn)行自準(zhǔn)直檢測進(jìn)行仿真,得到非球面相對于最接近球面的波像差,如圖2所示。
      [0022]利用數(shù)字波面干涉儀I檢測待檢非球面,光路如圖3所示;從而得到待測旋轉(zhuǎn)軸對稱光學(xué)非球面3相對于鏡頭參考面2的波像差,去除位置(position),傾斜(tilt),離焦(focus)等誤差,如圖4所示。
      [0023]將實(shí)際波像差的矩陣和理論波像差的矩陣統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下,讓兩個(gè)波像差的像素一一對應(yīng),然后將兩個(gè)波像差的矢高做差法運(yùn)算,即Λζ=ζ’ -ζ,即可得到非球面實(shí)際面形與理論面形的殘差分布。
      【權(quán)利要求】
      1.一種快速、準(zhǔn)確的光學(xué)非球面的實(shí)時(shí)檢測方法,其特征是:利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件仿真出旋轉(zhuǎn)軸對稱光學(xué)非球面相對于最接近球面的波像差,稱為理論波像差,將此波像差,在極坐標(biāo)下利用zernike多項(xiàng)式進(jìn)行擬合,令x=rcos a , y=rsin α ,將極坐標(biāo)下的zernike方程轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)下的形式;使用數(shù)字波面干涉儀利用球面鏡頭直接測量出旋轉(zhuǎn)軸對稱光學(xué)非球面相對于鏡頭參考面的波像差,稱為實(shí)際波像差;實(shí)際波像差用離散的三維矩陣(X,y, z)表示,x,y表示像素的位置,z表示對應(yīng)像素位置波像差的矢高;根據(jù)實(shí)際波像差的三維矩陣,確定實(shí)際波面的有效像素,以此為依據(jù)對理論波像差在直角坐標(biāo)系下的zernike多項(xiàng)式進(jìn)行像素劃分,將zernike多項(xiàng)式表示的理論波像差轉(zhuǎn)化為矩陣(x’,y’,z’)的形式,保證與實(shí)際波像差有效像素的分布相同,將實(shí)際波像差的矩陣和理論波像差的矩陣統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下,讓兩個(gè)波像差的像素一一對應(yīng),然后將兩個(gè)波像差的矢高做差法運(yùn)算,即Λ ζ=ζ' -Z,即得到非球面實(shí)際面形與理論面形的殘差分布,從而實(shí)現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)軸對稱光學(xué)非球面的實(shí)時(shí)檢測;數(shù)字波面干涉儀測量出待測光學(xué)非球面的全口徑波像差,并去除位置、傾斜、離焦誤差;利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件,對旋轉(zhuǎn)軸對稱非球面進(jìn)行自準(zhǔn)直檢測進(jìn)行仿真,得到非球面相對于最接近球面的波像差。
      【文檔編號】G01B11/24GK103471521SQ201310412055
      【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月29日
      【發(fā)明者】潘寶珠, 方靖淮, 湯靖, 趙永林, 笪健, 崔榮華 申請人:南通大學(xué)
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