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1、(10)申请公布号 CN 103017681 A (43)申请公布日 2013.04.03 CN 103017681 A *CN103017681A* (21)申请号 201210521650.1 (22)申请日 2012.12.07 G01B 11/24(2006.01) (71)申请人 南通大学 地址 226019 江苏省南通市啬园路 9 号 (72)发明人 潘宝珠 汤靖 邵旭萍 赵永林 李雅丽 施建珍 (74)专利代理机构 南通市永通专利事务所 32100 代理人 葛雷 (54) 发明名称 近抛物面的旋转轴对称凹非球面的实时检测 方法 (57) 摘要 本发明公开了一种近抛物面的旋转轴对称。
2、凹 非球面的实时检测方法， 用平面自准直法仿真出 凹非球面相对于最接近抛物面的波像差， 在极坐 标下利用 zernike 多项式进行拟合， 将极坐标下 的 zernike 方程转化为直角坐标下的形式 ； 使用 数字波面干涉仪测量出非球面相对于抛物面的波 像差， 将实际波像差的矩阵和理论波像差的矩阵 统一到同一坐标系下， 让两个波像差的像素一一 对应， 然后将两个波像差的矢高做差法运算， 即， 即可得到非球面实际面形与理论面形的残差分 布。 本发明具有快速、 准确、 检测范围广等优点， 具 有广阔的市场前景。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 (19)中华。
3、人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 1/1 页 2 1. 一种近抛物面的旋转轴对称凹非球面的实时检测方法， 其特征是 ： 用平面自准直法 仿真出凹非球面相对于最接近抛物面的波像差， 即非球面相对于抛物面的理论波像差， 将 此波像差， 在极坐标下利用 zernike 多项式， 取前 36 项或前 37 项进行拟合， 令 x=rcos， y rsin， 将极坐标下的 zernike 方程转化为直角坐标下的形式 ； 使用数字波面干涉仪 利用球面镜头搭建平面自准直光路测量出非球面相对于抛物面的波像差， 即非球面相对于 抛物面的实际波像差， 。
4、这个实际波像差用离散的三维矩阵 (x,y,z) 表示， x， y 表示像素的 位置， z 表示对应像素位置波像差的矢高 ； 根据实际波像差的三维矩阵， 确定实际波面的 有效像素， 以此为依据对理论波像差在直角坐标系下的 zernike 多项式进行像素划分， 将 zernike 多项式表示的理论波像差转化为矩阵 (x,y,z) 的形式， 保证与实际波像差有效 像素的分布相同， 将实际波像差的矩阵和理论波像差的矩阵统一到同一坐标系下， 让两个 波像差的像素一一对应， 然后将两个波像差的矢高做差法运算， 即 z z -z， 即可得到 非球面实际面形与理论面形的残差分布， 从而实现对近抛物面的旋转轴对。
5、称凹非球面的实 时检测 ； 所述使用数字波面干涉仪利用球面镜头搭建平面自准直光路是将标准平面镜置于 干涉仪球面镜头与待检非球面镜之间， 标准平面镜到干涉仪镜头焦点的距离小于 rd/(2D)， 其中 r 为待检非球面镜的顶点曲率半径， d 为标准平面镜中心孔的直径， D 为待检非球面镜 口径。 2. 根据权利要求 1 所述的近抛物面的旋转轴对称凹非球面的实时检测方法， 其特征 是 ： 标准平面镜口径不小于待测非球面镜口径， 标准平面镜中心开中心孔， 中心孔的大小不 大于凹非球面中心盲区的大小。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的近抛物面的旋转轴对称凹非球面的实时检测方法， 其特 征是 ： 数。
6、字波面干涉仪测量出非球面相对于抛物面的波像差， 需要去除平移及倾斜误差。 权 利 要 求 书 CN 103017681 A 2 1/3 页 3 近抛物面的旋转轴对称凹非球面的实时检测方法 技术领域 0001 本发明属于先进光学制造和检测技术领域。 技术背景 0002 近抛物面的旋转轴对称凹非球面主要是指接近抛物面的凹椭球面或凹双曲面以 及以凹椭球面或凹双曲面为基础的高次曲面。 高精度光学非球面元件面形的检测主要采用 干涉检测技术。 在该项技术中， 无像差点检测、 零位补偿干涉检测技术广泛应用于非球面抛 光阶段的面形检测。 0003 所谓的无像差点检测是指根据费马原理， 光线从一点传到另外一点，。
7、 经过任意多 次折射或反射， 其光程为极大值或极小值， 也就是说光程是定值， 光学上把这样的点成为无 像差点， 利用无像差点检测非球面的方法称为无像差检测。 0004 此类无像差点检测方法具有一定的缺点， 具体表现在无像差点检测主要用于检测 旋转轴对称二次曲面， 不能检测旋转轴对称高次曲面。 0005 零位补偿干涉检测技术是指利用光学设计软件， 如 ZEMAX,CODE V 等， 设计一种带 有特定波像差的光学系统， 称之为零位补偿器， 其中的零位补偿器的设计是基于理想非球 面的， 检验光束经由数字波面干涉仪出射至补偿器， 光束经过补偿器再经被检非球面反射， 再次经过补偿器后回到干涉仪， 从而。
8、实现待检非球面元件面形的检测。 0006 此类零位补偿检测不但能够检测旋转轴对称二次非球面也可以检测旋转轴对称 高次非球面。 但是这种检测方法也有一定的缺点， 具体表现在针对不同面形的非球面元件， 需要设计不同的补偿器， 同时为了获得高精度的测量结果， 要求在设计补偿器时， 一方面使 之能够很好地校正非球面波前差， 另一方面要求补偿器各元件的厚度， 曲率半径， 空气间 隔、 同心度等公差分配合理。这样补偿器的误差极易产生鬼像， 而导致衍射环的出现， 并由 于补偿器其中某些元件的反射光与参考光发生相互干涉， 从而在像面上出现一些伪干涉条 纹， 由于这些伪干涉条纹与检测光同时发生相位移动， 因此对。
9、检测结果影响很大。 补偿器的 精度不但受设计结果的影响， 还会受装调的影响， 补偿器自身精度的检测也是个难题。 补偿 检测光路调整复杂， 耗时。 发明内容 0007 本发明的目的在于提供一种方便、 准确的近抛物面的旋转轴对称凹非球面的实时 检测方法。 0008 本发明的技术解决方案是 ： 0009 一种近抛物面的旋转轴对称凹非球面的实时检测方法， 其特征是 ： 利用光学设计 软件， 如 ZEMAX,CODE V 等， 用平面自准直法仿真出凹非球面 （二次曲面或者高次曲面） 相 对于最接近抛物面的波像差， 称为非球面相对于抛物面的理论波像差， 将此波像差， 在极 坐标下利用 zernike 多项。
10、式 （取前 36 项或前 37 项均可以） 进行拟合， 令 x rcos， y rsin， 将极坐标下的 zernike 方程转化为直角坐标下的形式 ； 使用数字波面干涉仪 （如 说 明 书 CN 103017681 A 3 2/3 页 4 zygo， wyko， fisba， esdi 等） 利用球面镜头搭建平面自准直光路测量出非球面相对于抛物 面的波像差， 称为非球面相对于抛物面的实际波像差。这个实际波像差用离散的三维矩阵 (x,y,z)表示， x， y表示像素的位置， z表示对应像素位置波像差的矢高。 根据实际波像差的 三维矩阵， 确定实际波面的有效像素， 以此为依据对理论波像差在直角坐。
11、标系下的 zernike 多项式进行像素划分， 将 zernike 多项式表示的理论波像差转化为矩阵 (x,y,z) 的形 式， 保证与实际波像差有效像素的分布相同， 将实际波像差的矩阵和理论波像差的矩阵统 一到同一坐标系下， 让两个波像差的像素一一对应， 然后将两个波像差的矢高做差法运算， 即zz-z， 即可得到非球面实际面形与理论面形的残差分布， 从而实现对近抛物面的 旋转轴对称凹非球面的实时检测。 0010 标准平面镜口径不小于待测非球面镜口径， 标准平面镜中心开中心孔， 中心孔的 大小不大于凹非球面中心盲区的大小。 0011 数字波面干涉仪能够用自准直法测量出待测光学非球面相对于最接近。
12、抛物面的 全口径波像差， 且需要去除平移 （piston） ， 倾斜 （tilt） 等误差。 0012 本发明不仅克服了无像差点不能检测旋转轴对称高次非球面， 也克服了传统零位 补偿检验中补偿器专用性， 装调复杂、 耗时等缺点， 只需要大于等于待检非球面镜口径的标 准平面镜， 具有快速、 准确、 检测范围广等优点， 具有广阔的市场前景。 本检测方法检测非球 面的最大非球面度和非球面度梯度取决于数字波面干涉仪内 CCD 阵列像元的大小和数目。 附图说明 0013 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 0014 图 1 是本发明的工作原理图。 0015 图 2 是本发明双曲面相对于最接近抛物。
13、面的理论波像差图。 0016 图 3 是本发明双曲面检测光路图。 0017 图 4 是本发明双曲面相对于最接近抛物面的实际波像差图。 0018 图 5 是本发明实际双曲面面形与理论面形的残差分布图。 具体实施方式 0019 一种近抛物面的旋转轴对称凹非球面的实时检测方法， 其特征是 ： 利用光学设计 软件， 如 ZEMAX,CODE V 等， 用平面自准直法仿真出凹非球面 （二次曲面或者高次曲面） 相对 于最接近抛物面的波像差， 称为非球面相对于抛物面的理论波像差， 将此波像差， 在极坐标 下利用zernike多项式 （取前36项或37项均可以） 进行拟合， 令xrcos， yrsin， 将 。
14、极坐标下的 zernike 方程转化为直角坐标下的形式 ； 使用数字波面干涉仪 （如 zygo， wyko， fisba， esdi 等） 利用球面镜头搭建平面自准直光路测量出非球面相对于抛物面的波像差， 称为非球面相对于抛物面的实际波像差。这个实际波像差用离散的三维矩阵 (x,y,z) 表 示， x， y 表示像素的位置， z 表示对应像素位置波像差的矢高。根据实际波像差的三维矩阵， 确定实际波面的有效像素， 以此为依据对理论波像差在直角坐标系下的 zernike 多项式进 行像素划分， 将 zernike 多项式表示的理论波像差转化为矩阵 (x,y,z) 的形式， 保证与 实际波像差有效像。
15、素的分布相同， 将实际波像差的矩阵和理论波像差的矩阵统一到同一坐 标系下， 让两个波像差的像素一一对应， 然后将两个波像差的矢高做差法运算， 即 z 说 明 书 CN 103017681 A 4 3/3 页 5 z -z， 即可得到非球面实际面形与理论面形的残差分布， 从而实现对近抛物面的旋转轴对 称凹非球面的实时检测。 0020 标准平面镜口径不小于待测非球面镜口径， 标准平面镜中心开中心孔， 中心孔的 大小不大于凹非球面中心盲区的大小。 0021 数字波面干涉仪能够用自准直法测量出待测光学非球面相对于最接近抛物面的 全口径波像差， 且需要去除平移 （piston） ， 倾斜 （tilt） 。
16、等误差。 0022 利用光学设计软件， 如 ZEMAX,CODE V 等， 对近抛物面的旋转轴对称凹非球面进行 平面自准直检测进行仿真， 检测光路如图 2 所示， 得到非球面相对于最接抛物面的理论波 像差如图 3 所示。 0023 利用数字波面干涉仪 1 检测待检非球面， 2 为干涉仪镜头， 3 为待检非球面镜， 4 为 标准平面镜。标准平面镜置于干涉仪镜头与待检非球面镜之间， 到干涉仪镜头焦点的距离 小于 rd/(2D) 的范围均可， 其中 r 为待检非球面镜的顶点曲率半径， d 为标准平面镜中心 孔的直径， D 为待检非球面镜口径， 为了调整的方便通常将标准平面镜置于干涉仪镜头焦 点前， 。
17、如图 2 所示。从而得到待测非球面 3 相对于最接近抛物面的实际波像差， 去除平移 （piston） ， 倾斜 （tilt） 等误差， 如图 4 所示。 0024 将实际波像差的矩阵和理论波像差的矩阵统一到同一坐标系下， 让两个波像差的 像素一一对应， 然后将两个波像差的矢高做差法运算， 即 z z -z， 即可得到非球面实 际面形与理论面形的残差分布， 如图 5 所示。 说 明 书 CN 103017681 A 5 1/2 页 6 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103017681 A 6 2/2 页 7 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103017681 A 7 。