一種基于可變形鏡的準萬能補償鏡及設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光干涉法測量自由曲面面形，屬于光電檢測領(lǐng)域。旨在利用可變形 鏡的特性，實現(xiàn)一對多的補償鏡設(shè)計，同時可以提高自由曲面面形檢測的測量精度。
【背景技術(shù)】
[0002] 自由曲面因為其表面形狀高度的自由度，可以極大地減小光學(xué)系統(tǒng)的尺寸和質(zhì) 量，在此基礎(chǔ)上又能進一步的提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量，在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用的越來越廣泛。 但是因為其很高的檢測難度，使得自由曲面的加工精度一直不能夠得到保證，大口徑高精 度的自由曲面加工和檢測目前還是光學(xué)檢測領(lǐng)域的一大難題。
[0003]目前常用的自由曲面面形檢測方法主要分為兩種：接觸式和非接觸式測量方法。 接觸式方法使用專用探頭對自由曲面進行接觸式點對點的測量，不可避免會對表面造成劃 傷，而且速度很慢。光學(xué)測量方法是非接觸式測量的主要方法，主要優(yōu)點是瞬時、非接觸。目 前最常用的是補償法測量，即設(shè)計補償器補償自由曲面產(chǎn)生的像差，將自由曲面的檢測轉(zhuǎn) 化為平面或者球面面形的檢測。常用的零補償測量方法，例如CGH(計算全息圖）補償法， 檢測精度很高，表面精度檢測可以達到l〇nm甚至更高，但是CGH的加工難度大，尤其是對大 相對口徑、大深度的自由曲面，加工非常困難，而且每測量一種自由曲面，就要專門設(shè)計一 種零補償器，費時費力。部分補償法可以實現(xiàn)一個補償器對應(yīng)多個自由曲面進行檢測，補償 器結(jié)構(gòu)比較簡單，但由于剩余像差的存在，檢測精度遠低于零補償法，目前只限于檢測低精 度、低非球面度的自由曲面。
[0004] 可變形鏡又稱為波前校正器，通過在硅基底上附加多個伺服器，通過控制伺服器 的電壓，推動表面的柔性體產(chǎn)生形變，達到改變面型的目的。但是因為柔性體的改變范圍有 限，當(dāng)前只是應(yīng)用在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，主要用于大氣湍流導(dǎo)致的空氣擾動，補償范圍僅在 微米量級，很難應(yīng)用在較大形變量、波前變化劇烈的系統(tǒng)中。
[0005] 自由曲面的檢測難點在于補償器的設(shè)計和加工，高精度的補償器成本高制作困 難，容易制作的補償器檢測精度又會降低，因此研究一種較為方便快捷、同時又具有較高檢 測精度的自由曲面面形檢測方法是目前光學(xué)工作者的一項重要任務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了解決納米級自由曲面面形誤差檢測的問題，提出一種基于可 變形鏡的準萬能補償鏡及設(shè)計方法。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0008] -種基于可變形鏡的準萬能補償鏡系統(tǒng)，包括(XD探測器、成像物鏡、準直激光、 分光鏡、參考鏡、第一級補償器、第二級補償器、待測自由曲面；
[0009] 其中，第一級補償器由透鏡或透鏡組組成，用于補償?shù)碗A像差，第二級補償器是可 變形鏡，用于補償剩余高階像差。
[0010] 系統(tǒng)的光路為：準直激光經(jīng)過參考鏡，反射光形成參考光，透射光經(jīng)第一級補償 器-第二級補償器-待測自由曲面-第二級補償器-第一級補償器后第二次經(jīng)過參考鏡， 與參考光形成干涉條紋，在1-CCD探測器處進行觀測。
[0011] 第一級和第二級補償器構(gòu)成準萬能補償鏡。第一級補償器是由補償透鏡或透鏡組 構(gòu)成，可以是單片鏡，也可以是兩片透鏡組成的透鏡組，第一級補償器主要通過在軸的透鏡 或者透鏡組產(chǎn)生具有旋轉(zhuǎn)對稱性的像差，例如球差、場曲。設(shè)計過程中由于自由曲面的非旋 轉(zhuǎn)對稱性，會產(chǎn)生很多非對稱的像差，例如彗差、像散以及許多三級以上的像差，可以通過 調(diào)整第一級的離軸量和旋轉(zhuǎn)角度，產(chǎn)生低階的非對稱性的像差用以補償。第二級補償器是 一可變形鏡。因為第一級補償器的作用有限，只能補償?shù)碗A像差，引入一個可變形鏡作為第 二級補償，主要用于修正剩余的高階像差?，F(xiàn)有的可變形鏡直徑一般都比較小，形變范圍有 限，但是可以實現(xiàn)精密的控制，幾乎可以實現(xiàn)任意面型的改變，非常適合應(yīng)用在本發(fā)明的折 反式二級補償系統(tǒng)中，用于補償幅值較小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高階像差。附圖1是上述補償系統(tǒng)在 斐索干涉儀中的應(yīng)用，但并不限于該類型干涉儀，也可以用于泰曼格林等常用的干涉儀形 式。
[0012] -種基于可變形鏡的準萬能補償鏡系統(tǒng)的設(shè)計方法，首先利用初級賽德爾像差公 式計算被測自由曲面的低階像差，采用像差匹配算法和近軸公式計算可以得到第一級補償 器的參數(shù)；之后建立折反式系統(tǒng)，利用可變形鏡盡可能補償剩余的高階像差。
[0013] 上述設(shè)計方法的具體步驟為：
[0014] 步驟一、首先設(shè)計第一級補償器，用于補償自由曲面產(chǎn)生的初級像差。利用三級賽 德爾像差公式計算，為了設(shè)計簡單，這里只是利用第一項像差球差S:表示：
[0018] 公式中，h是光線的入射高度，u是光線入射角，u'表示光線出射角，η和η'分別 表示玻璃和空氣的折射率，e為入射面的非球面系數(shù)，R。為入射面的頂點曲率半徑。從附圖 1中可以看出，測量過程中，光線兩次經(jīng)過部分補償鏡，只在自由曲面上反射一次，因此可以 得到一個基本的像差設(shè)計關(guān)系式：
[0020] SPa是第一級補償器的球差，S f_f_是待測自由曲面產(chǎn)生的球差。最后利用近軸 光線公式：
[0022] 就可以得到部分補償鏡的曲率半徑r ;
[0023] 步驟二、第一級補償器設(shè)計結(jié)束之后，進行第二級補償器的設(shè)計。這部分設(shè)計主要 在光學(xué)設(shè)計軟件中進行。利用軟件對測量系統(tǒng)進行建模，首先對初步設(shè)計的第一級補償器 進行優(yōu)化，以得到一個最佳結(jié)果。之后引入可變形鏡，將可變形鏡的表面面型設(shè)為變量，由 于一般可變形鏡的變形能力有限，需要預(yù)先規(guī)定優(yōu)化變量的變化范圍，之后以建模系統(tǒng)像 面的波前PV作為優(yōu)化目標，對系統(tǒng)進行優(yōu)化，得到像面干涉圖最稀疏情況下的結(jié)果，記錄 可變形鏡的表面形貌，此時的可變形鏡即為設(shè)計的第二級補償器。
[0024] 有益效果
[0025]