专利名称：一种用部分补偿透镜实现非球面面形的干涉测量方法
技术领域：
本发明为一种利用部分补偿透镜实现非球面面形的干涉测量方法，属于光电
背景技术：
干涉法测量光学元件面形具有简单、精度高等优点，目前广泛使用。由于传统的干涉仪只能作小波像差的测量，测量平面和球面等简单小波像差表面时，干涉仪光路较简单，但对于非球面面形的测量，要用一零补偿透镜将非球面产生的大波像差复杂波面补偿为波像差为零的波面，在干涉仪中与标准面作比较，干涉条纹的不规则形状表示非球面的面型误差，由此直接测量被测非球面的面形误差。由于零补偿透镜具有极高的补偿能力，因而结构复杂，同时其制造误差非常小，接近极限，所以，零补偿透镜的设计、加工和装校非常难。零补偿透镜只能补偿某一种非球面面形，测量范围小。常用于小相对孔径、小非球面度的非球面面形测量，对于大相对孔径，大非球面度的凸非球面，设计加工零补偿透镜几乎是不可能的。目前解决这一难题的方法就是用全息元件配合球面透镜补偿非球面产生的大波像差，全息元件采用数控方法制造，几乎可以补偿任何非球面，但由于其衍射原理所限，全息元件的透射光中除有用的被测波面外，还有零级、高级次波面的衍射光等，这就使得被测波面有较大的杂光干扰，干涉条纹不干净，质量较差。此外，由于衍射效率不高，又光两次被衍射，反回光波损失较大。
本发明采用部分补偿透镜原理测量非球面面形，目的在于简化补偿透镜的结构，降低补偿镜的设计、加工难度，同时对某一补偿镜而言可扩展其测量范围；由于采用折射原理，没有全息元件所产生的杂光干扰，使得干涉条纹很干净，同时损耗很小；而且测量精度高，稳定性好；几乎可用于测量各种旋转对称的非球面，尤其是可以测量大相对孔径，大非球面度的凸非球面。
发明内容
部分补偿法，不要求补偿透镜一定将被测非球面的大像差波面完全补偿，允许有不大于50个波长的剩余波差，将传统的小波差(不大于10个波长)干涉测量系统变为大波差(不大于50个波长)干涉测量系统。小波差干涉测量的测量过程是被测波面与一标准面比较，而大波差干涉测量则是被测波面与一理论波面比较。根据实际干涉光路和被测非球面参数准确得到部分补偿后剩余波差的理论波面，实测波面含有干涉仪部分补偿后的剩余波差和被测非球面的面形误差，理论波面和实测波面比较，干涉仪中的系统误差被抵消，两者之差就为实际被测非球面的面形误差。采用数字莫尔合成法将理论剩余波差按实际干涉光学系统计算出虚拟的干涉条纹，存于计算机中，与实际干涉仪中得到的实际干涉条纹作条纹叠加得到莫尔条纹，也就是能直接观察的实际被测波面和理论波面的干涉条纹，莫尔条纹的不规则形状表示为被测非球面的面形误差。由于部分补偿透镜不要求将被测非球面的大波像差完全补偿，其补偿量要求不高，因此其光学系统结构较简单，加工、装调也容易些。
该方法可用普通泰曼格林和菲索干涉仪进行非球面面形的干涉测量光路。
该方法按以下步骤实现第一步由干涉仪光路、被测非球面的标准数据和部分补偿透镜结构计算出虚拟干涉条纹；第二步与实际干涉仪得到的实际干涉条纹作数字莫尔合成，实现实测波面与理论波面相减，干涉仪中的系统误差被抵消，莫尔条纹为实际非球面与标准非球面的干涉条纹；第三步再由数字移相处理出被测非球面面形误差。
部分补偿后的剩余波像差较大，使得与平面波的干涉条纹较密，接收干涉条纹的CCD的分辨率决定了最小干涉条纹间隔，从而也确定了剩余波面斜率大小。根据CCD的分辨率，确定干涉条纹间隔，或波面的斜率，并以此作为部分补偿透镜的设计依据，设计部分补偿透镜不是以像质最好为判据，而是以反回波面斜率为判据，只要波面的斜率控制在允许范围内即可。
部分补偿镜的半径、中心厚和材料折射率不要求与设计值一样，只要精确测出即可，因而制造要求得以降低。这种部分补偿干涉测量方法，既可以测量非球面的面形，也可以测量透镜的波像差以检验透镜是否合格，还可以用于光学系统的装调过程检验。
本发明的有效效果1、被测非球面的面形不被限制于某一特定面形；2、既可以测量非球面的面形，也可以测量透镜的波像差以检验透镜是否合格，还可以用于光学系统的装调过程检验；3、测量系统精度高，稳定性好，可用于测量各种旋转对称的非球面，尤其是可以测量大相对孔径，大非球面度的凸非球面。
图1是原理图，其中1-实际干涉仪，2-虚拟干涉仪，3-数字莫尔移相干涉，4-被测非球面面形误差信息。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进一步说明。
该方法按以下步骤实现第一步由干涉仪光路、被测非球面的标准数据和部分补偿透镜结构计算出虚拟干涉条纹；第二步与实际干涉仪得到的实际干涉条纹作数字莫尔合成，实现实测波面与理论波面相减，干涉仪中的系统误差被抵消，莫尔条纹为实际非球面与标准非球面的干涉条纹；第三步再由数字移相处理出被测非球面面形误差。
本发明具有的优点是被测非球面的面形不被限制某一特定面形，既可以测量非球面的面形，也可以测量透镜的波像差以检验透镜是否合格，还可以用于光学系统的装调过程检验；测量系统精度高，稳定性好，几乎可用于测量各种旋转对称的非球面，尤其是可以测量大相对孔径，大非球面度的凸非球面。
权利要求
1.一种利用部分补偿透镜实现非球面面形的干涉测量方法，其特征在于运用部分补偿法，即不要求补偿透镜一定将被测非球面的大像差波面完全补偿，而是允许有不大于50个波长的剩余波差，将传统的小波差干涉测量系统变为大波差干涉测量系统的干涉测量方法。
2.如权利要求1所述，大波差干涉测量系统中的大波差指的是不大于50个波长波差。
3.如权利要求1所述，一种利用部分补偿透镜实现非球面面形的干涉测量方法是按以下步骤实现第一步由干涉仪光路、被测非球面的标准数据和部分补偿透镜结构计算出虚拟干涉条纹；第二步与实际干涉仪得到的实际干涉条纹作数字莫尔合成，实现实测波面与理论波面相减，干涉仪中的系统误差被抵消，莫尔条纹为实际非球面与标准非球面的干涉条纹；第三步再由数字移相处理出被测非球面面形误差。
全文摘要
一种利用部分补偿透镜实现非球面面形的干涉测量方法，属于光电技术领域。本发明不要求补偿透镜一定将被测非球面面形的大像差波面完全补偿，而是允许有不大于50个波长的剩余波差，将传统的小波差干涉测量系统变为大波差干涉测量系统；其测量方法为采用数字莫尔移相干涉法进行测量。本发明简化补偿透镜的结构，降低了补偿镜的设计、加工难度，同时对某一补偿镜而言可扩展其测量范围；由于采用折射原理，没有全息元件所产生的杂光干扰，使得干涉条纹很干净，同时损耗很小；而且测量精度高，稳定性好；几乎可用于测量各种旋转对称的非球面，尤其是可以测量大相对孔径，大非球面度的凸非球面。
文档编号G01M11/02GK1587950SQ20041006882
公开日2005年3月2日 申请日期2004年7月8日 优先权日2004年7月8日
发明者朱秋东, 郝群, 刘惠兰 申请人:北京理工大学