[發明專利]快速、準確的光學非球面的實時檢測方法

有效

• 申請號: 201310412055.9
• 申請日: 2012-10-29
• 公開（公告）號: CN103471521A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 潘寶珠;方靖淮;湯靖;趙永林;笪健;崔榮華
• 申請（專利權）人: 南通大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 南通市永通專利事務所 32100
• 代理人: 葛雷

本申請是申請號：201210421308.4、申請日：2012.10.29、名稱“旋轉軸對稱光學非球面的實時檢測方法”的分案申請。

技術領域

本發明屬于先進光學制造和檢測技術領域。

背景技術

旋轉軸對稱光學非球面主要包含旋轉軸對稱二次曲面和旋轉軸對稱高次曲面。高精度光學非球面元件面形的檢測主要采用干涉檢測技術。在該項技術中，無像差點檢測和零位補償干涉檢測技術廣泛應用于非球面拋光階段的面形檢測。

所謂的無像差點檢測是指根據費馬原理，光線從一點傳到另外一點，經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，光學上把這樣的點成為無像差點，利用無像差點檢測非球面的方法稱為無像差檢測。

此類無像差點檢測方法具有一定的缺點，具體表現在無像差點檢測主要用于檢測旋轉軸對稱二次曲面，不能檢測旋轉軸對稱高次曲面；無像差點檢測一般需要標準球面或球面構成自準直檢測光路，且光路調整復雜，耗時。

零位補償干涉檢測技術是指利用光學設計軟件，如ZEMAX,CODE?V等，設計一種帶有特定波像差的光學系統，稱之為零位補償器，其中的零位補償器的設計是基于理想非球面的，檢驗光束經由數字波面干涉儀出射至補償器，光束經過補償器再經被檢非球面反射，再次經過補償器后回到干涉儀，從而實現待檢非球面元件面形的檢測。

此類零位補償檢測不但能夠檢測旋轉軸對稱二次非球面也可以檢測旋轉軸對稱高次非球面。但是這種檢測方法也有一定的缺點，具體表現在針對不同面形的非球面元件，需要設計不同的補償器，同時為了獲得高精度的測量結果，要求在設計補償器時，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。這樣補償器的誤差極易產生鬼像，而導致衍射環的出現，并由于補償器其中某些元件的反射光與參考光發生相互干涉，從而在像面上出現一些偽干涉條紋，由于這些偽干涉條紋與檢測光同時發生相位移動，因此對檢測結果影響很大。補償器的精度不但受設計結果的影響，還會受裝調的影響，補償器自身精度的檢測也是個難題。補償檢測光路調整復雜，耗時。

本發明不僅克服了無像差點不能檢測旋轉軸對稱高次非球面，也克服了傳統零位補償檢驗中補償器專用性，裝調復雜、耗時等缺點，不需要標準鏡，具有快速、準確、檢測范圍廣等優點，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字波面干涉儀內CCD的分辨率。

本發明的技術解決方案是：

一種旋轉軸對稱光學非球面的實時檢測方法，其特征是：利用光學設計軟件，如ZEMAX,CODE?V等，仿真出旋轉軸對稱光學非球面（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，在極坐標下利用zernike多項式（取前36項或37項均可以）進行擬合，令x=rcosα，y=rsinα，將極坐標下的zernike方程轉化為直角坐標下的形式；使用數字波面干涉儀（如zygo，wyko，fisba，esdi等）利用球面鏡頭直接測量出旋轉軸對稱光學非球面相對于鏡頭參考面的波像差，稱為實際波像差。實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表示對應像素位置波像差的矢高。根據實際波像差的三維矩陣，確定實際波面的有效像素，以此為依據對理論波像差在直角坐標系下的zernike多項式進行像素劃分，將zernike多項式表示的理論波像差轉化為矩陣(x',y',z')的形式，保證與實際波像差有效像素的分布相同，將實際波像差的矩陣和理論波像差的矩陣統一到同一坐標系下，讓兩個波像差的像素一一對應，然后將兩個波像差的矢高做差法運算，即Δz=z'-z，即可得到非球面實際面形與理論面形的殘差分布，從而實現對旋轉軸對稱光學非球面的實時檢測。

數字波面干涉儀測量出待測光學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。

本發明不僅克服了無像差點不能檢測旋轉軸對稱高次非球面，也克服了傳統零位補償檢驗中補償器專用性，裝調復雜、耗時等缺點，不需要標準鏡，具有快速、準確、檢測范圍廣等優點，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字波面干涉儀內CCD的分辨率。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。

圖1是本發明的工作原理圖。

圖2是本發明二次曲面相對于最接近比較球面的波像差圖。