快速、準(zhǔn)確的光學(xué)非球面的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】一種快速、準(zhǔn)確的光學(xué)非球面的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件仿真出旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)光學(xué)非球面相對(duì)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(cè)量出旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)光學(xué)非球面相對(duì)于鏡頭參考面的波像差，經(jīng)過(guò)一些數(shù)學(xué)運(yùn)算，將兩者像素一一對(duì)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(duì)旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)光學(xué)非球面的實(shí)時(shí)檢測(cè)。本發(fā)明具有快速、準(zhǔn)確、檢測(cè)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。本檢測(cè)方法可以檢測(cè)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(zhuān)利說(shuō)明】快速、準(zhǔn)確的光學(xué)非球面的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法
[0001]本申請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)?201210421308.4、申請(qǐng)日:2012.10.29、名稱(chēng)“旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)光學(xué)非球面的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法”的分案申請(qǐng)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于先進(jìn)光學(xué)制造和檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0003]旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)光學(xué)非球面主要包含旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)二次曲面和旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)高次曲面。高精度光學(xué)非球面元件面形的檢測(cè)主要采用干涉檢測(cè)技術(shù)。在該項(xiàng)技術(shù)中，無(wú)像差點(diǎn)檢測(cè)和零位補(bǔ)償干涉檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于非球面拋光階段的面形檢測(cè)。
[0004]所謂的無(wú)像差點(diǎn)檢測(cè)是指根據(jù)費(fèi)馬原理，光線(xiàn)從一點(diǎn)傳到另外一點(diǎn)，經(jīng)過(guò)任意多次折射或反射，其光程為極大值或極小值，也就是說(shuō)光程是定值，光學(xué)上把這樣的點(diǎn)成為無(wú)像差點(diǎn)，利用無(wú)像差點(diǎn)檢測(cè)非球面的方法稱(chēng)為無(wú)像差檢測(cè)。
[0005]此類(lèi)無(wú)像差點(diǎn)檢測(cè)方法具有一定的缺點(diǎn)，具體表現(xiàn)在無(wú)像差點(diǎn)檢測(cè)主要用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)二次曲面，不能檢測(cè)旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)高次曲面；無(wú)像差點(diǎn)檢測(cè)一般需要標(biāo)準(zhǔn)球面或球面構(gòu)成自準(zhǔn)直檢測(cè)光路，且光路調(diào)整復(fù)雜，耗時(shí)。
[0006]零位補(bǔ)償干涉檢測(cè)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(chēng)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(guò)補(bǔ)償器再經(jīng)被檢非球面反射，再次經(jīng)過(guò)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(cè)。
[0007]此類(lèi)零位補(bǔ)償檢測(cè)不但能夠檢測(cè)旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)二次非球面也可以檢測(cè)旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)高次非球面。但是這種檢測(cè)方法也有一定的缺點(diǎn)，具體表現(xiàn)在針對(duì)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(cè)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(cè)光同時(shí)發(fā)生相位移動(dòng)，因此對(duì)檢測(cè)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(huì)受裝調(diào)的影響，補(bǔ)償器自身精度的檢測(cè)也是個(gè)難題。補(bǔ)償檢測(cè)光路調(diào)整復(fù)雜，耗時(shí)。
[0008]本發(fā)明不僅克服了無(wú)像差點(diǎn)不能檢測(cè)旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)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(zhuān)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(cè)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。本檢測(cè)方法可以檢測(cè)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(duì)稱(chēng)光學(xué)非球面的實(shí)時(shí)檢測(cè)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(duì)稱(chēng)光學(xué)非球面(二次曲面或者高次曲面)相對(duì)于最接近球面的波像差，稱(chēng)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(cè)量出旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)光學(xué)非球面相對(duì)于鏡頭參考面的波像差，稱(chēng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)光學(xué)非球面的實(shí)時(shí)檢測(cè)。
[0011]數(shù)字波面干涉儀測(cè)量出待測(cè)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(wú)像差點(diǎn)不能檢測(cè)旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)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(zhuān)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(cè)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。本檢測(cè)方法可以檢測(cè)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(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)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(duì)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(cè)光路圖。
[0017]圖4是本發(fā)明二次曲面相對(duì)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(duì)稱(chēng)光學(xué)非球面的實(shí)時(shí)檢測(cè)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(duì)稱(chēng)光學(xué)非球面(二次曲面或者高次曲面)相對(duì)于最接近球面的波像差，稱(chēng)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(cè)量出旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)光學(xué)非球面相對(duì)于鏡頭參考面的波像差，稱(chēng)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)量出待測(cè)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(duì)旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)非球面進(jìn)行自準(zhǔn)直檢測(cè)進(jìn)行仿真，得到非球面相對(duì)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(cè)待檢非球面，光路如圖3所示；從而得到待測(cè)旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)光學(xué)非球面3相對(duì)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(duì)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(cè)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(duì)稱(chēng)光學(xué)非球面相對(duì)于最接近球面的波像差，稱(chēng)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(cè)量出旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)光學(xué)非球面相對(duì)于鏡頭參考面的波像差，稱(chēng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)光學(xué)非球面的實(shí)時(shí)檢測(cè)；數(shù)字波面干涉儀測(cè)量出待測(cè)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(duì)旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)非球面進(jìn)行自準(zhǔn)直檢測(cè)進(jìn)行仿真，得到非球面相對(duì)于最接近球面的波像差。
【文檔編號(hào)】G01B11/24GK103471521SQ201310412055
【公開(kāi)日】2013年12月25日 申請(qǐng)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(qǐng)人:南通大學(xué)