本發(fā)明涉及光學(xué)檢測對(duì)準(zhǔn)方法，特別是涉及一種基于補(bǔ)償器的離軸非球面鏡零位檢測對(duì)準(zhǔn)方法。

背景技術(shù)：

目前離軸非球面鏡越來越廣泛的應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)中，尤其是在離軸兩反、離軸三反系統(tǒng)中。離軸非球面鏡的應(yīng)用可以有效的增大光學(xué)系統(tǒng)視場、提高光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量。

對(duì)于離軸非球面鏡零位檢測，主要采取補(bǔ)償檢測方式，檢測時(shí)基于離軸非球面鏡參數(shù)，包括離軸量與頂點(diǎn)曲率半徑，非球面高次項(xiàng)系數(shù)等，設(shè)計(jì)相應(yīng)的補(bǔ)償器或計(jì)算全息圖(CGH)補(bǔ)償元件，對(duì)非球面鏡進(jìn)行零位檢測。

無論是補(bǔ)償器補(bǔ)償檢測還是計(jì)算全息圖補(bǔ)償檢測，均對(duì)檢測儀器、補(bǔ)償器、非球面鏡三者間對(duì)準(zhǔn)精度有較高要求，三者間位置失調(diào)會(huì)致使檢測錯(cuò)誤，誤導(dǎo)后續(xù)光學(xué)反射鏡的加工。檢測時(shí)需要對(duì)檢測儀器、補(bǔ)償器及離軸非球面鏡的位置關(guān)系進(jìn)行嚴(yán)格約束，否則由于位置關(guān)系不準(zhǔn)確會(huì)在檢測結(jié)果中引入額外的像差。目前，三者間的位置對(duì)準(zhǔn)通常是拿鋼板尺檢測，測量精度無法保障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，是針對(duì)目前檢測儀器、補(bǔ)償器、非球面鏡三者間位置對(duì)準(zhǔn)精度無法保障的缺點(diǎn)，提供一種基于補(bǔ)償器的離軸非球面鏡零位檢測對(duì)準(zhǔn)方法，包括如下步驟，

檢測儀器與補(bǔ)償器之間對(duì)準(zhǔn)步驟：按光路設(shè)計(jì)要求調(diào)節(jié)檢測儀器出射標(biāo)準(zhǔn)平面波與補(bǔ)償器間的位置關(guān)系，完成檢測儀器與補(bǔ)償器之間的位置對(duì)準(zhǔn)；

補(bǔ)償器與離軸非球面鏡之間對(duì)準(zhǔn)步驟：按光路設(shè)計(jì)要求調(diào)節(jié)補(bǔ)償器與離軸非球面鏡之間的位置關(guān)系，通過檢測儀器檢測得到非對(duì)準(zhǔn)條件下的非對(duì)準(zhǔn)檢測結(jié)果；

分析解算非對(duì)準(zhǔn)檢測結(jié)果步驟：對(duì)非對(duì)準(zhǔn)檢測結(jié)果進(jìn)行分析解算，得到非球面鏡各軸調(diào)節(jié)偏差值；

零位檢測對(duì)準(zhǔn)步驟：按照前一步驟分析解算所得非球面鏡各軸調(diào)節(jié)偏差值，進(jìn)行非球面鏡位置調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)檢測儀器、補(bǔ)償器及非球面鏡間的對(duì)準(zhǔn)。

具體地，所述檢測儀器與補(bǔ)償器之間對(duì)準(zhǔn)步驟中的檢測儀器為干涉儀，所述補(bǔ)償器與離軸非球面鏡之間對(duì)準(zhǔn)步驟中檢測得到非對(duì)準(zhǔn)條件下的非對(duì)準(zhǔn)檢測結(jié)果為干涉檢測圖。

優(yōu)選地，所述分析解算非對(duì)準(zhǔn)檢測結(jié)果步驟中，分析解算干涉檢測圖用最小二乘法完成離軸非球面鏡平移及傾斜方向上失調(diào)量的解算。

具體地，所述離軸非球面鏡為離軸二次曲面反射鏡，用最小二乘法對(duì)非對(duì)準(zhǔn)檢測結(jié)果即干涉檢測圖進(jìn)行離軸二次曲面反射鏡平移及傾斜方向上失調(diào)量的分析解算，得到離軸二次曲面反射鏡各軸調(diào)節(jié)偏差值。

具體地，所述用最小二乘法進(jìn)行離軸二次曲面反射鏡平移及傾斜方向上失調(diào)量的解算步驟如下，

對(duì)于基于補(bǔ)償器的離軸非球面鏡零位檢測，被檢測離軸非球面鏡矢高變化與波相差關(guān)系：

其中WFE為波相差，δz為鏡面失調(diào)所引起的面形變化矢量，n為鏡面單位法向量，k和k’表示入射光和反射光的單位向量。

離軸二次曲面反射鏡失調(diào)所帶來的矢高誤差，如式(2)。

將矢高誤差作Taylor展開，得到：

忽略高階小量情況下，傾斜與彗差比例為：

其可以寫成偏心及傾斜兩部分疊加的形式：

式中下標(biāo)dec代表偏心，式中下標(biāo)tilt代表傾斜；

由像差項(xiàng)系數(shù)，將其寫作系數(shù)矩陣Z與失調(diào)量矩陣MisA相乘的形式，

當(dāng)Z為非奇異矩陣時(shí)，也即該二次曲面不是球面時(shí)，方程有唯一解；

由式(7)可以得到，由檢測像差可以解算出失調(diào)量dx，dy，tx，ty。將檢測光路中非球面鏡按照該失調(diào)量數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可得到對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)下的干涉檢測圖的結(jié)果；

公式(1)～(7)中相關(guān)符號(hào)的物理意義如下：

δz-鏡面失調(diào)所引起的面形變化矢量；

n-鏡面單位法向量；

k-入射光的單位向量；

k’-反射光的單位向量；

c-頂點(diǎn)曲率；

κ-二次曲面常數(shù)；

ρ與θ分別表示鏡面一點(diǎn)在鏡面極坐標(biāo)系中的極坐標(biāo)分量；

d與φ分別表示鏡面一點(diǎn)由于偏心在鏡面極坐標(biāo)系中的極坐標(biāo)分量；

R-鏡面口徑；

dx，dy代表平移的失調(diào)量，tx，ty代表傾斜方向上的失調(diào)量；

Tilt-傾斜，Coma-慧差；

Tilt_x-x方向傾斜，Tilt_y-y方向傾斜，Coma_x-x方向慧差，Coma_y-y方向慧差。

本發(fā)明的一種基于補(bǔ)償器的離軸非球面鏡零位檢測對(duì)準(zhǔn)方法，克服了目前檢測儀器、補(bǔ)償器及離軸非球面鏡的位置對(duì)準(zhǔn)通常是拿鋼板尺檢測，測量精度無法保障的缺點(diǎn)，首先檢測儀器與補(bǔ)償器之間對(duì)準(zhǔn)，再將補(bǔ)償器與離軸非球面鏡之間對(duì)準(zhǔn)，通過檢測儀器檢測得到非對(duì)準(zhǔn)條件下的非對(duì)準(zhǔn)檢測結(jié)果，分析解算非對(duì)準(zhǔn)檢測結(jié)果，得到非球面鏡各軸調(diào)節(jié)偏差值，按照此調(diào)節(jié)偏差值，進(jìn)行非球面鏡位置調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)檢測儀器、補(bǔ)償器及非球面鏡間的對(duì)準(zhǔn)，從而得到在對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)下非球面鏡的干涉檢測結(jié)果。保證后續(xù)非球面鏡的正確加工。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的檢測對(duì)準(zhǔn)方法的對(duì)準(zhǔn)原理光路圖；

圖2為非對(duì)準(zhǔn)條件下具有像散及傾斜等像差干涉檢測圖；

圖3為非對(duì)準(zhǔn)條件下具有慧差及傾斜等像差干涉檢測圖；

圖4～6為對(duì)準(zhǔn)條件下干涉檢測圖。

其中，1-檢測儀器(干涉儀)，2-補(bǔ)償器，3-離軸非球面鏡(離軸二次曲面反射鏡)，4-光軸，H-離軸量。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

一種基于補(bǔ)償器的離軸非球面鏡零位檢測對(duì)準(zhǔn)方法，包括如下步驟，

檢測儀器與補(bǔ)償器之間對(duì)準(zhǔn)步驟：如圖1，按光路設(shè)計(jì)要求調(diào)節(jié)檢測儀器出射標(biāo)準(zhǔn)平面波與補(bǔ)償器間的位置關(guān)系，完成檢測儀器與補(bǔ)償器之間的位置對(duì)準(zhǔn)，檢測儀器為干涉儀，按圖中從左至右的順序放置干涉儀1、補(bǔ)償器2和離軸非球面鏡3，本實(shí)施例中離軸非球面鏡3為離軸二次曲面反射鏡，干涉儀1和補(bǔ)償器2位于光軸4上，離軸非球面鏡3離開光軸4有一離軸量H寬的距離。

補(bǔ)償器2與離軸二次曲面反射鏡3之間對(duì)準(zhǔn)步驟：按光路設(shè)計(jì)要求調(diào)節(jié)補(bǔ)償器2與離軸二次曲面反射鏡3之間的位置關(guān)系，通過檢測儀器檢測得到非對(duì)準(zhǔn)條件下的非對(duì)準(zhǔn)檢測結(jié)果即干涉檢測圖(信息)；檢測儀器為干涉儀1，補(bǔ)償器2與離軸二次曲面反射鏡3之間對(duì)準(zhǔn)步驟中檢測得到非對(duì)準(zhǔn)條件下的非對(duì)準(zhǔn)檢測結(jié)果為干涉檢測圖，見圖2和圖3。

分析解算非對(duì)準(zhǔn)檢測結(jié)果步驟，本實(shí)施例中所述離軸非球面鏡為離軸二次曲面反射鏡3，分析解算方法用最小二乘法對(duì)非對(duì)準(zhǔn)檢測結(jié)果即干涉檢測圖進(jìn)行離軸二次曲面反射鏡3平移及傾斜方向上失調(diào)量的分析解算，得到離軸二次曲面反射鏡各軸調(diào)節(jié)偏差值，二次曲面包含拋物面、雙曲面、橢球面，本實(shí)施例中離軸二次曲面反射鏡各軸包括俯仰軸為x軸，扭擺軸為y軸，分析解算各軸平移的失調(diào)量，傾斜方向上的失調(diào)量，本實(shí)施例中x軸和y軸的平移的失調(diào)量用dx、dy代表，傾斜方向上的失調(diào)量用tx、ty代表；

用最小二乘法進(jìn)行離軸二次曲面反射鏡各軸平移及傾斜方向上失調(diào)量的具體解算步驟方法如下，

對(duì)于基于補(bǔ)償器的離軸非球面鏡零位檢測，被檢測離軸非球面鏡矢高變化與波相差關(guān)系：

其中WFE為波相差，δz為鏡面失調(diào)所引起的面形變化矢量，n為鏡面單位法向量，k和k’表示入射光和反射光的單位向量。

離軸二次曲面反射鏡失調(diào)所帶來的矢高誤差，如式(2)。

將矢高誤差作Taylor展開，得到：

忽略高階小量情況下，傾斜與彗差比例為：

其可以寫成偏心及傾斜兩部分疊加的形式：

式中下標(biāo)dec代表偏心，式中下標(biāo)tilt代表傾斜；

由像差項(xiàng)系數(shù)，將其寫作系數(shù)矩陣Z與失調(diào)量矩陣MisA相乘的形式，

當(dāng)Z為非奇異矩陣時(shí)，也即該二次曲面不是球面時(shí)，方程有唯一解；

由式(7)可以得到，由檢測像差可以解算出dx、dy、tx、ty，其物理意義為dx、dy代表平移的失調(diào)量，tx、ty代表傾斜方向上的失調(diào)量。將檢測光路中離軸二次曲面反射鏡3按照該失調(diào)量數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可得到對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)下的干涉檢測圖的結(jié)果，如圖4～6所示；

公式(1)～(7)中相關(guān)符號(hào)的物理意義如下：

δz-鏡面失調(diào)所引起的面形變化矢量；

n-鏡面單位法向量；

k-入射光的單位向量；

k’-反射光的單位向量；

c-頂點(diǎn)曲率；

κ-二次曲面常數(shù)；

ρ與θ分別表示鏡面一點(diǎn)在鏡面極坐標(biāo)系中的極坐標(biāo)分量；

d與φ分別表示鏡面一點(diǎn)由于偏心在鏡面極坐標(biāo)系中的極坐標(biāo)分量；

R-鏡面口徑；

dx，dy代表平移的失調(diào)量，tx，ty代表傾斜方向上的失調(diào)量；

Tilt-傾斜，Coma-慧差；

Tilt_x-x方向傾斜，Tilt_y-y方向傾斜，Coma_x-x方向慧差，Coma_y-y方向慧差。

零位檢測對(duì)準(zhǔn)步驟：按照前一步驟分析解算所得非球面鏡各軸調(diào)節(jié)偏差值，dx、dy代表平移的失調(diào)量，tx、ty代表傾斜方向上的失調(diào)量，進(jìn)行非球面鏡位置調(diào)節(jié)，本實(shí)施例中為手動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)檢測儀器即干涉儀1、補(bǔ)償器2及非球面鏡即離軸二次曲面反射鏡3間的對(duì)準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)下干涉檢測圖如圖4～6。