用于非球面通用化检测的部分零位透镜
    

引言

在光学系统中应用非球面有利于校正像差、改善像质、减少系统元件数目、降低系统质量和缩小体积等。在现代光学系统中非球面已经得到普遍应用,并且很多场合必须使用非球面。随着现代科学技术,尤其是计算机技术的飞速发展,非球面的设计和加工技术已经发展得相对较成熟,于是非球面的检测[1]便越来越成为非球面应用中的关键技术。非球面之所以难于检测是因为其会产生法线像差[2] 。对于浅度非球面在精度要求不高的情况下,常采用消球差透镜对其进行补偿,并按照检测球面的方式进行测试。但是,对于大口径非球面来说,由于其产生的法线像差较大,用消球差透镜补偿后会有较大的剩余像差,导致产生的干涉图可能超过探测器的分辨率。为了解决这个问题,人们提出了零位补偿法[3-4],即利用零位补偿透镜完全补偿非球面产生的法线像差,以实现高精度检测。但是,由于任意一个非球面,都需要一个特定的零位补偿镜,并且补偿镜一般结构较复杂,对设计、加工以及装调等都有严格要求,所以零位补偿法对于对精度要求较高且经费充足的工程比较适用,而并不适于多种、大量非球面的检测。文中提出利用一种具有较大像差的部分零位补偿透镜,简称部分零位镜(PNL)来补偿非球面产生的大部分法线像差,从而使被非球面反射回来的波前不至于超过探测器的分辨率。通过检测反射回来的波前,并经过一定处理,就可以得到被测非球面的面形信息。由于该部分零位镜都可以对一定范围内的非球面实现部分零位补偿,所以,当此镜进行经系列后,将可以实现非球面的通用化检测。

1 非球面的法线像差[5]

光学系统中的非球面大部分为轴对称非球面,即:

式中:c=1/R0, 为顶点曲率,R0为顶点球半径;K 为二次曲线常数;d,e,…为变形常数。如图1 所示,Asp 为非球面,Sp 为非球面顶点球,C0为顶点球圆心, 从C0发出的光线C0P 交非球面Asp 于P 点,点C 与角μ 分别为被非球面反射回来的光线与光轴的交点和夹角,C0C 即为非球面产生的法线像差δn。根据图1 及公式(1),容易计算出非球面法线与光轴夹角μ,于是,非球面产生的法线像差为:

通过分析可以得出: 非球面产生的球差与K 有关,即当K=0 时,产生的球差为0;当K<0 时,产生的球差为正;当K>0 时,产生的球差为负。

2 部分零位镜设计过程

2.1 部分零位镜设计的约束控制

零位补偿透镜的作用[4]是将入射的平面波前转换为与被检测非球面的理论形状一致的波前。如果被检非球面具有理想形状, 则光线被非球面反射后将按原路返回,经补偿器后重新形成平面或球面波前,与标准波前相干涉后, 从产生的干涉条纹中就可以获得被测非球面的表面信息。由于零位补偿透镜需要完全补偿被测非球面的法线像差,故设计较为复杂,并且为一对一模式。而部分零位透镜并不需要补偿所有法线像差,而只是其中的大部分即可,故可以有较简单的结构。所以,它的设计方法也与零位补偿镜有一些不同。

(1) 探测器平面的条纹密度

由采样定律可知:探测器平面上的最大条纹密度不能超过其分辨率,否则将无法分辨,这就限定了条纹密度的上限。同时,由于部分零位镜并没有完全补偿非球面的法线像差,到达探测器平面的波前将产生较多条纹, 在保证所有条纹都能够被分辨的情况下,还应注意提高条纹整体识别精度,使整个探测器上条纹密度尽量均匀,这就限定了条纹密度的下限。探测器平面记录的条纹密度是由两束干涉光之间光程差(OPD)的斜率决定的,即:

式中:r 为方向矢量;u 为r 方向上的条纹密度。根据公式(3)可以得到r 方向上的条纹密度为:

需要注意的是, 由公式(4) 解出的条纹密度范围仅是对被测原始波前的限制。实际检测中,经常需要对原始波前加入一些调制,如移相干涉法、线性载波法以及环形载波法等,这时,条纹密度还将与所采用的调制方法有关。关于各种调制方法对条纹密度的影响,参考文献[6]给出了详细分析。

(2) 被测非球面上的入射角

在零位补偿镜对非球面进行补偿时,经过补偿镜的光线均垂直入射至被测非球面上。在部分零位镜的设计中,为了加快优化进度并提高效率,也可以将入射角作为一项约束控制[7]。

2.2 初始结构的选择

通常, 多数零位补偿透镜是在会聚光情况下使用,但是会聚光的最大缺点是检测时调整困难,微量偏差可能导致检测精度大大降低。考虑到此因素,现在的干涉仪绝大多数都采用平行光路,而文中的部分零位镜也在平行光路中使用。

零位补偿镜, 如Dall、Offner 补偿镜中的每一片透镜常会有一面是平面[4]。使用平面的好处是比球面更容易加工,也避免了曲率半径偏差、偏心等问题。透镜设计时还遵循一个原则,即在补偿效果达到使用要求时,首先采用最小片数,因为片数越少,加工和装配的准确性就越高。所以,文中设计在具体执行过程中应尽量选择面形简单、片数少的结构。

由于在平行光路中采用平面结构,如果平面朝向光源,会导致入射至部分零位镜的光线的一部分直接被反射回去,使检测得到的条纹中出现莫尔条纹。为了避免莫尔条纹现象[8],应使平面朝向被测非球面。根据以上分析,由于正透镜恒产生负球差,负透镜恒产生正球差,所以部分零位镜的初始结构为单片平凸(K<0 时)或平凹(K>0 时)透镜,且平面朝向被测非球面。

3 部分零位镜设计实例及设计结果

针对两种非球面分别进行了部分零位镜的设计,参数如表1 所示。

3.1 针对I 号f/2的抛物面的部分零位镜

由于凹抛物面的法线像差为正值,需要采用正透镜产生负球差进行补偿。由于部分零位镜并不需要补偿非球面产生的所有法线像差,只要探测器平面上得到的干涉图满足要求即可,故采用上节提出的单片平凸透镜作为初始结构。表2 为经过优化后得到的部分零位镜的结构参数。

在检测光路中,检测光线经过一次非球面反射和两次部分零位镜投射后返回的剩余波像差峰谷值为7.156 3λ,均方根值为2.045 9λ。利用512×512 像素的探测器,得到部分零位镜、最佳球面补偿后的干涉图,如图2(a)、(b)所示。

可以看出: 对于相对口径为1/2, 顶点球半径800 mm 的凹抛物面, 利用最佳球补偿后得到的干涉图虽然勉强可以处理, 但是在边缘处的条纹密度太大,检测精度受到很大限制;而利用单片的部分零位镜进行补偿后得到的干涉图在整个孔径上条纹均可良好分辨,相对精度较高。

3.2 针对II 号f/1.5 的非球面的部分零位镜

在I 号抛物面(相对口径1/2)的部分零位镜的设计中, 仅用了一片平凸透镜即实现了部分零位补偿。在对II 号相对口径为1/1.5 的抛物面进行部分零位镜设计时,可以以I 号部分零位镜为初始结构开始设计。由于I 号补偿镜的相对口径与II 号抛物面不匹配,故首先应改变部分零位镜焦距,使与非球面实现相对口径匹配。由于相对口径较大,在透镜口径不变的情况下,使用平凸结构无论如何优化设计都将无法满足部分零位镜的设计要求,故应先将平凸结构改为凸凸结构。适当优化后的结果如表3 所示。

在对II 号非球面进行测试的光路中, 检测光线经过一次非球面反射和两次部分零位镜投射后返回的剩余波像差峰谷值为0.647 9λ,均方根值为0.218 9λ。

3.3 部分零位镜的补偿能力

通过分析上述部分设计实例可以看出:设计出的部分零位镜的补偿效果远优于2.1 节中提出的约束控制要求。当保持非球面的相对口径不变,增大口径,发现I 号和II 号补偿透镜均能对很大范围内的非球面实现部分零位补偿,说明部分零位镜具有很大的补偿能力。这样,完全可以通过有限个部分零位镜实现对一个相对较大范围内的非球面的部分零位补偿。

4 利用部分零位镜实现非球面通用化检测[9]

文中讨论的部分零位镜是一种具有较大像差的透镜,可以极大程度上补偿非球面的法线像差。如图3所示,利用部分零位镜进行非球面检测的原理与利用消球差镜检验球面的原理相似,不同之处在于消球差镜被部分零位镜取代,并且在波前的还原上复杂一些。由于部分零位镜仅对被测非球面实现部分补偿,即使被测非球面为理想非球面,探测器上检测得到的也将是一个非球面波前W0。当被测非球面存在面形误差Err 时, 探测器上检测得到的波前虽然不是W0和Err 的简单相加,但却包含了它们的共同信息。部分零位镜检测非球面的面形重构过程是建立在对检测系统进行建模并应用光线追迹方法的基础上的,核心问题是对由于没有完全补偿非球面法线像差而导致的非零位检测误差的校正问题[10-12]。

5 结束语

提出了一种具有较大球差的部分零位透镜,论述了部分零位透镜设计的约束控制条件以及初始结构的选取原则,并就两个不同相对口径的抛物面给出了设计实例。由于部分零位透镜可以对一定范围内的非球面实现部分零位补偿,提出了利用一系列部分零位镜实现常用范围内的非球面补偿,从而实现常见非球面的通用化检测的思想。系列部分零位镜各补偿范围的划分、总体性能的评价以及各镜之间的协调工作将是未来研究的重点。

摘自:中国计量测控网


相关阅读
  • 非球面透镜的磨制与检测
  • 用非零位补偿法检测大口径非球面反
  • 用于大口径非球面的波前功率谱密度
  • 非球面透镜
  • 肖特光学精密模压成型的非球面透镜
  • 非球面透镜技术
  • 非球面透镜参数的定义
  • 基于非球面零件光学检测技术研究
  • 安钢高线飞剪零位检测装置改造
  • 离轴凸非球面的hindle检测
  • 子孔径拼接干涉法检测非球面设计
  • 扭矩检测仪的主要组成部分简要介绍
  • 对安钢高线飞剪零位检测装置的改造
  • 高精度非球面光学塑料透镜成型法分
  • TECHSPEC?校准高精度非球面透镜 提
  • 基于大数值孔径小非球面检测用补偿
  • 微小非球面玻璃透镜超精密模压成型
  • NM-4A非金属超声波检测仪组成部分
  • 非球面聚焦透镜数控加工技术研究
  • φ1.07 m,f/1.5 非球面反射主镜在
  • 磨削机床及在该机床上加工非球面单
  •  



     
     
         

    收录时间:2016年12月29日 14:00:06 来源:国家标准物质网 作者:匿名
    上一篇:基于涡流探伤的油(气)管裂纹检测研究与实现  (电脑版  手机版)
     
    创建分享人
    大锣
    最新问题
     
    喜欢此文章的还喜欢
  • 用于非球面通用化检测的部分零位
  • 基于涡流探伤的油(气)管裂纹检测
  • 生物制药上市公司未来十年市值涨
  • 氮氢空一体机的仪器安装与使用
  • 构筑权威的实验室国家认可体系
  • 循序渐进地开展能源计量审查
  • 多米诺环保墨水
  • 高速漏磁检测中的速度效应及信号
  • 高灵敏度实时定标微波辐射计
  • 文丘里管流量计原理
  • Copyright by www.chinabaike.com;All rights reserved. 联系:QQ:469681782