專利名稱：一種用部分補償透鏡實現非球面面形的干涉測量方法
技術領域：
本發明為一種利用部分補償透鏡實現非球面面形的干涉測量方法，屬于光電
背景技術：
干涉法測量光學元件面形具有簡單、精度高等優點，目前廣泛使用。由于傳統的干涉儀只能作小波像差的測量，測量平面和球面等簡單小波像差表面時，干涉儀光路較簡單，但對于非球面面形的測量，要用一零補償透鏡將非球面產生的大波像差復雜波面補償為波像差為零的波面，在干涉儀中與標準面作比較，干涉條紋的不規則形狀表示非球面的面型誤差，由此直接測量被測非球面的面形誤差。由于零補償透鏡具有極高的補償能力，因而結構復雜，同時其制造誤差非常小，接近極限，所以，零補償透鏡的設計、加工和裝校非常難。零補償透鏡只能補償某一種非球面面形，測量范圍小。常用于小相對孔徑、小非球面度的非球面面形測量，對于大相對孔徑，大非球面度的凸非球面，設計加工零補償透鏡幾乎是不可能的。目前解決這一難題的方法就是用全息元件配合球面透鏡補償非球面產生的大波像差，全息元件采用數控方法制造，幾乎可以補償任何非球面，但由于其衍射原理所限，全息元件的透射光中除有用的被測波面外，還有零級、高級次波面的衍射光等，這就使得被測波面有較大的雜光干擾，干涉條紋不干凈，質量較差。此外，由于衍射效率不高，又光兩次被衍射，反回光波損失較大。
本發明采用部分補償透鏡原理測量非球面面形，目的在于簡化補償透鏡的結構，降低補償鏡的設計、加工難度，同時對某一補償鏡而言可擴展其測量范圍；由于采用折射原理，沒有全息元件所產生的雜光干擾，使得干涉條紋很干凈，同時損耗很小；而且測量精度高，穩定性好；幾乎可用于測量各種旋轉對稱的非球面，尤其是可以測量大相對孔徑，大非球面度的凸非球面。
發明內容
部分補償法，不要求補償透鏡一定將被測非球面的大像差波面完全補償，允許有不大于50個波長的剩余波差，將傳統的小波差(不大于10個波長)干涉測量系統變為大波差(不大于50個波長)干涉測量系統。小波差干涉測量的測量過程是被測波面與一標準面比較，而大波差干涉測量則是被測波面與一理論波面比較。根據實際干涉光路和被測非球面參數準確得到部分補償后剩余波差的理論波面，實測波面含有干涉儀部分補償后的剩余波差和被測非球面的面形誤差，理論波面和實測波面比較，干涉儀中的系統誤差被抵消，兩者之差就為實際被測非球面的面形誤差。采用數字莫爾合成法將理論剩余波差按實際干涉光學系統計算出虛擬的干涉條紋，存于計算機中，與實際干涉儀中得到的實際干涉條紋作條紋疊加得到莫爾條紋，也就是能直接觀察的實際被測波面和理論波面的干涉條紋，莫爾條紋的不規則形狀表示為被測非球面的面形誤差。由于部分補償透鏡不要求將被測非球面的大波像差完全補償，其補償量要求不高，因此其光學系統結構較簡單，加工、裝調也容易些。
該方法可用普通泰曼格林和菲索干涉儀進行非球面面形的干涉測量光路。
該方法按以下步驟實現第一步由干涉儀光路、被測非球面的標準數據和部分補償透鏡結構計算出虛擬干涉條紋；第二步與實際干涉儀得到的實際干涉條紋作數字莫爾合成，實現實測波面與理論波面相減，干涉儀中的系統誤差被抵消，莫爾條紋為實際非球面與標準非球面的干涉條紋；第三步再由數字移相處理出被測非球面面形誤差。
部分補償后的剩余波像差較大，使得與平面波的干涉條紋較密，接收干涉條紋的CCD的分辨率決定了最小干涉條紋間隔，從而也確定了剩余波面斜率大小。根據CCD的分辨率，確定干涉條紋間隔，或波面的斜率，并以此作為部分補償透鏡的設計依據，設計部分補償透鏡不是以像質最好為判據，而是以反回波面斜率為判據，只要波面的斜率控制在允許范圍內即可。
部分補償鏡的半徑、中心厚和材料折射率不要求與設計值一樣，只要精確測出即可，因而制造要求得以降低。這種部分補償干涉測量方法，既可以測量非球面的面形，也可以測量透鏡的波像差以檢驗透鏡是否合格，還可以用于光學系統的裝調過程檢驗。
本發明的有效效果1、被測非球面的面形不被限制于某一特定面形；2、既可以測量非球面的面形，也可以測量透鏡的波像差以檢驗透鏡是否合格，還可以用于光學系統的裝調過程檢驗；3、測量系統精度高，穩定性好，可用于測量各種旋轉對稱的非球面，尤其是可以測量大相對孔徑，大非球面度的凸非球面。
圖1是原理圖，其中1-實際干涉儀，2-虛擬干涉儀，3-數字莫爾移相干涉，4-被測非球面面形誤差信息。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進一步說明。
該方法按以下步驟實現第一步由干涉儀光路、被測非球面的標準數據和部分補償透鏡結構計算出虛擬干涉條紋；第二步與實際干涉儀得到的實際干涉條紋作數字莫爾合成，實現實測波面與理論波面相減，干涉儀中的系統誤差被抵消，莫爾條紋為實際非球面與標準非球面的干涉條紋；第三步再由數字移相處理出被測非球面面形誤差。
本發明具有的優點是被測非球面的面形不被限制某一特定面形，既可以測量非球面的面形，也可以測量透鏡的波像差以檢驗透鏡是否合格，還可以用于光學系統的裝調過程檢驗；測量系統精度高，穩定性好，幾乎可用于測量各種旋轉對稱的非球面，尤其是可以測量大相對孔徑，大非球面度的凸非球面。
權利要求
1.一種利用部分補償透鏡實現非球面面形的干涉測量方法，其特征在于運用部分補償法，即不要求補償透鏡一定將被測非球面的大像差波面完全補償，而是允許有不大于50個波長的剩余波差，將傳統的小波差干涉測量系統變為大波差干涉測量系統的干涉測量方法。
2.如權利要求1所述，大波差干涉測量系統中的大波差指的是不大于50個波長波差。
3.如權利要求1所述，一種利用部分補償透鏡實現非球面面形的干涉測量方法是按以下步驟實現第一步由干涉儀光路、被測非球面的標準數據和部分補償透鏡結構計算出虛擬干涉條紋；第二步與實際干涉儀得到的實際干涉條紋作數字莫爾合成，實現實測波面與理論波面相減，干涉儀中的系統誤差被抵消，莫爾條紋為實際非球面與標準非球面的干涉條紋；第三步再由數字移相處理出被測非球面面形誤差。
全文摘要
一種利用部分補償透鏡實現非球面面形的干涉測量方法，屬于光電技術領域。本發明不要求補償透鏡一定將被測非球面面形的大像差波面完全補償，而是允許有不大于50個波長的剩余波差，將傳統的小波差干涉測量系統變為大波差干涉測量系統；其測量方法為采用數字莫爾移相干涉法進行測量。本發明簡化補償透鏡的結構，降低了補償鏡的設計、加工難度，同時對某一補償鏡而言可擴展其測量范圍；由于采用折射原理，沒有全息元件所產生的雜光干擾，使得干涉條紋很干凈，同時損耗很小；而且測量精度高，穩定性好；幾乎可用于測量各種旋轉對稱的非球面，尤其是可以測量大相對孔徑，大非球面度的凸非球面。
文檔編號G01M11/02GK1587950SQ20041006882
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月8日 優先權日2004年7月8日
發明者朱秋東, 郝群, 劉惠蘭 申請人:北京理工大學