非零位檢測凹拋物面鏡的部分補償透鏡體系與設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學技術領域，特別是一種非零位檢測凹拋物面鏡的部分補償透鏡體 系與設計方法。
【背景技術】
[0002] 在對非球面鏡進行非零位干涉檢測時，部分補償透鏡通過補償被測面的大部分法 線像差，將返回到干涉儀探測器像面處的波前斜率降低到可分辨范圍，使系統(tǒng)得以采集到 清晰的干涉條紋，是部分補償法干涉檢測非球面的關鍵元件。部分補償透鏡不需對被測面 進行完全零位補償，只要探測器處的波前斜率在可分辨范圍內(nèi)即可，因此一種參數(shù)的部分 補償透鏡可以對一定參數(shù)范圍內(nèi)的非球面鏡實現(xiàn)檢測。盡管如此，一個部分補償透鏡所能 補償?shù)谋粶y非球面鏡范圍依然有限，難以實現(xiàn)通用化檢測。在非球面中，凹拋物面鏡得到廣 泛應用，因此，合理設計并選擇若干個部分補償透鏡組成體系，以較少的部分補償透鏡數(shù)量 覆蓋常用被測拋物面鏡參數(shù)范圍，構建體系的補償能力數(shù)據(jù)庫，是采用部分補償法實凹拋 物面鏡通用化檢測的必要前提。
[0003] 設計部分補償透鏡體系前，需要對單個部分補償透鏡進行優(yōu)化設計，約束條件主 要有三種：一種如文獻利用部分補償透鏡進行非球面面形測量（北京理工大學學報，2004， Vol. 24, No. 7, P625~628)中所述，在CODE V光學設計軟件中約束波像差曲線最大斜 率；文獻用于非球面通用化檢測的部分零位透鏡（紅外與激光工程，2009, Vol. 38, No. 2， P322~325)中提出將探測器平面的條紋密度作為約束條件，道理相同。第二種方法如文 獻基于Zemax的部分補償透鏡的優(yōu)化設計（光學學報，2011，Vol. 31，No. 6, P0622002-1~ 0622002-7)中所述，約束條件為像面彌散圓的最大半徑。第三種如文獻用于非球面通用化 檢測的部分零位透鏡（紅外與激光工程，2009，V〇1. 38，No. 2，P322~325)和文獻Design of partial nulls for testing of fast aspheric surfaces (Proc. Of SPIE,2007,Vol.6671, No. 66710W，P66710W-1~66710W-8)中所述，將光線入射被測面的入射角作為約束控制。但 是這些約束條件僅限定了探測器處條紋可被分辨，實際設計時無法保證透鏡的可加工性， 在檢測中也無法保證測量結(jié)果的徑向剪切誤差控制在可接受范圍內(nèi)，因此，這樣的約束并 不完善，實用性較低。
[0004] 盡管文獻利用部分補償透鏡進行非球面面形測量（北京理工大學學報，2004， Vol. 24, No. 7, P625~628)中對三個部分補償透鏡的設計實例進行了初步的補償范圍分 析，但并沒能構成部分補償透鏡體系及建立詳細的補償范圍數(shù)據(jù)庫，難以實現(xiàn)對一定范圍 內(nèi)特定被測面的通用化檢測。另外，已有技術中的部分補償鏡設計大多采用多片式結(jié)構，加 工和裝調(diào)成本較高，也增加了實際檢測中系統(tǒng)校準的難度。因此需要設計單片式部分補償 透鏡體系，以簡單實用的結(jié)構和方法實現(xiàn)對常用凹拋物面鏡的通用化檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，為凹拋物面鏡的通用化檢測，提供一種 非零位檢測凹拋物面鏡的部分補償透鏡體系與設計方法，并解決現(xiàn)有技術中部分補償透鏡 設計時約束條件不完善、實用性較低的技術問題。
[0006] 非零位檢測凹拋物面鏡的部分補償透鏡體系，包括多個部分補償透鏡，每個部分 補償透鏡有各自可補償?shù)谋粶y拋物面鏡參數(shù)范圍，且所有部分補償透鏡的補償范圍能夠銜 接在一起，使體系的總補償范圍覆蓋常用的被測拋物面鏡參數(shù)；統(tǒng)計體系中每個部分補償 透鏡的詳細補償范圍邊界，構建體系補償范圍數(shù)據(jù)庫，作出對被測拋物面鏡的補償范圍圖； 根據(jù)補償范圍圖，能夠直觀判斷給定被測拋物面鏡能否被該部分補償透鏡體系補償；根據(jù) 所建立的體系補償范圍數(shù)據(jù)庫，可以對被測拋物面鏡進行更加準確的判斷，并從中選擇最 適合對給定被測拋物面鏡實現(xiàn)部分補償檢測的最佳部分補償透鏡；對給定被測拋物面鏡， 無需重新設計加工部分補償透鏡，直接從體系中選擇最佳部分補償透鏡用于檢測即可。
[0007] -種非零位檢測凹拋物面鏡的部分補償透鏡體系設計方法如下：
[0008] 步驟1、初始結(jié)構計算
[0009] 選擇一個被測拋物面鏡，其F數(shù)小于1. 2 ;通過幾何光學原理和初級像差理論分析 的方法，計算對被測拋物面鏡進行補償?shù)膯纹讲糠盅a償透鏡的初始結(jié)構參數(shù)；
[0010] 所述的部分補償透鏡，其靠近被測面的表面為標準球面，遠離被測面的表面設為 平面，且由平行光入射；
[0011] 步驟2、部分補償透鏡的優(yōu)化
[0012] 2-1.在光學設計軟件中對簡化后的等效干涉檢測路建模，該等效模型的光路結(jié)構 為平面波透過部分補償透鏡后入射到被測拋物面鏡上，光波由被測拋物面鏡反射，返回的 光波再次通過部分補償透鏡，在像面處與由光學設計軟件提供的標準平面波發(fā)生干涉，形 成干涉條紋；
[0013] 2-2.部分補償透鏡的結(jié)構為通過計算得到的初始結(jié)構參數(shù)，被測拋物面鏡的形狀 參數(shù)是步驟1中計算部分補償透鏡的初始結(jié)構參數(shù)時用到的參數(shù)；
[0014] 2-3.對部分補償透鏡的初始結(jié)構參數(shù)、部分補償透鏡與被測拋物面鏡之間的距離 d進行優(yōu)化，根據(jù)限定的約束條件建立目標函數(shù)，對初始結(jié)構參數(shù)和距離d進行優(yōu)化求解；
[0015] 所述的初始結(jié)構參數(shù)包括部分補償透鏡前后表面的曲率半徑、厚度、口徑及材 料；
[0016] 所述的光學設計軟件包括Zemax、Code V、ASAP、Light Tools及所有具有光線追 跡功能的軟件；
[0017] 所述的目標函數(shù)的約束條件如下：
[0018] a.部分補償透鏡的口徑大小、厚度及材料滿足光學設計要求與實際加工標準； [0019] b.像面處相干波前的最大斜率值滿足奈奎斯特采樣定律；
[0020] c.像面波前單調(diào)，中心光程最長并沿徑向遞減；
[0021] 步驟3、對優(yōu)化部分補償透鏡的補償范圍進行分析
[0022] 3-1.在等效模型中使用優(yōu)化后的結(jié)構參數(shù)，同時初始化被測拋物面鏡的起始頂點 曲率半徑R及起始最小口徑D MIN ( -般取5_)，將部分補償透鏡與被測拋物面鏡之間的距離 d初始化為零；將部分補償透鏡與被測拋物面鏡之間的距離d設為變量；
[0023] 其中被測拋物面鏡的起始頂點曲率半徑R = _DMINXF，DMIN為拋物面鏡的起始最小 口徑，F(xiàn)為部分補償透鏡的F數(shù)；
[0024] 3-2.根據(jù)步驟2-3建立的目標函數(shù)進行優(yōu)化求解，若優(yōu)化時間超出設定的最長求 解時間T mx( -般取10s)仍不能滿足約束條件，則按照步長S增大被測拋物面鏡的頂點曲 率半徑R的絕對值，再重新優(yōu)化距離d ;如此循環(huán)直至滿足約束條件，然后將被測拋物面鏡 的口徑D和頂點曲率半徑R分別記錄在數(shù)組a和數(shù)組b中；
[0025] 3-3.按照步長S1增大被測拋物面鏡的口徑D，其頂點曲率半徑R