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即可，因此一種參數的部分 補償透鏡可以對一定參數范圍內的非球面鏡實現檢測。盡管如此，一個部分補償透鏡所能 補償的被測非球面鏡范圍依然有限，難以實現通用化檢測。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量 覆蓋常用被測拋物面鏡參數范圍，構建體系的補償能力數據庫，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果的徑向剪切誤差控制在可接受范圍內，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據庫，難以實現對一定范圍 內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構，加 工和裝調成本較高，也增加了實際檢測中系統校準的難度。因此需要設計單片式部分補償 透鏡體系，以簡單實用的結構和方法實現對常用凹拋物面鏡的通用化檢測。

【發明內容】

[0005] 本發明的目的在于針對現有技術的不足，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的被測拋物面鏡參數范圍，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；統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據庫，作出對被測拋物面鏡的補償范圍圖； 根據補償范圍圖，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 所建立的體系補償范圍數據庫，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、初始結構計算
[0009] 選擇一個被測拋物面鏡，其F數小于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的單片式部分補償透鏡的初始結構參數；
[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生干涉，形 成干涉條紋；
[0013] 2-2.部分補償透鏡的結構為通過計算得到的初始結構參數，被測拋物面鏡的形狀 參數是步驟1中計算部分補償透鏡的初始結構參數時用到的參數；
[0014] 2-3.對部分補償透鏡的初始結構參數、部分補償透鏡與被測拋物面鏡之間的距離 d進行優化，根據限定的約束條件建立目標函數，對初始結構參數和距離d進行優化求解；
[0015] 所述的初始結構參數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，中心光程最長并沿徑向遞減；
[0021] 步驟3、對優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化后的結構參數，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為部分補償透鏡的F數；
[0024] 3-2.根據步驟2-3建立的目標函數進行優化求解，若優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，再重新優化距離d ;如此循環直至滿足約束條件，然后將被測拋物面鏡 的口徑D和頂點曲率半徑R分別記錄在數組a和數組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