CN102393565B - 一种折反式逆补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种折反式逆补偿器，用于对非球面零检测补偿器进行标校，包括干涉仪、透镜、负透镜和反射球面镜，在干涉仪和透镜之间设置有待标定的非球面零检测补偿器；在反射球面镜和透镜之间设置有负透镜，透镜用于校正高级球差，负透镜用于产生定量球差；光线两次通过负透镜和透镜后，透镜和透镜产生的球差之和与非球面零检测补偿器的理论球差大小相等符号相反；干涉仪发出的单波长发散球面波经过非球面零检测补偿器后形成了发散球面波，带有球差的发散球面波依次通过透镜、负透镜到达反射球面镜，光束经过反射球面镜反射后，第二次通过负透镜和透镜，并通过非球面零检测补偿器后到达干涉仪，通过干涉仪对非球面零检测补偿器的***像差进行检测。

Description

一种折反式逆补偿器

技术领域

本发明涉及用于标定非球面零检测补偿器的折反式逆补偿器，它主要用于非球面零检测补偿器的标校。

背景技术

非球面在光学中占有重要的地位，在绝大多数大型光学***中，其主镜均为非球面，特别是二次非球面。但到目前为止，制造非球面要比制造球面困难得多，其中重要的原因便是非球面的检测要比球面难得多。

大口径非球面镜的检验目前的主要手段便是零检测补偿器，其中具有代表性的零检测补偿器是Offner补偿器。因为此方法检测精度高，而且补偿器的直径比被检非球面镜的直径小的多，因此得越来越广泛地应用。Offner补偿器属于法线像差补偿，这种补偿器由补偿镜和场镜两个正透镜组成。补偿镜几乎全部补偿非球面产生的球差，场镜则把补偿镜成像在非球面上。光源发出的光通过补偿镜和场镜到达非球面，所有光线都沿法线入射到被检非球面上。这种补偿法的实质是借助补偿器把平面或球面波转换为非球面波并与被检非球面的理论形状重合。由补偿器出射的波前，可以看作是叠在被检非球面上的玻璃样板。实质上，被检非球面对于补偿器所产生的参考波前偏差被放大到两倍传递给由补偿器返回的波前，这与玻璃样板法完全一样。因此，Offner补偿法可以理解为借助口径不大的补偿器，产生巨大口径的无接触玻璃样板，同时保持玻璃样板法的基本优点。该技术的特色是，一块在非球面顶点曲率中心附近的场镜将非球面投影在补偿镜上，这样可以大大降低残余像差，参见“A Null Corrector for Paraboloidal Mirrors”Abe Offner.AppliedOptics Vol.2 No.2。然而，这类零检测补偿器存在多方面的缺陷：

第一，Offner补偿器视场很小，只有约零点几毫米，这样在实际大口径非球面镜检验过程中光路共轴性要求非常高。然而，大型非球面主镜的检验光路往往达到十几米，甚至更长，满足共轴性要求存在很大难度。

第二，Offner补偿器装配相当困难。例如，检测Φ1800mm(F/1.5)抛物面主镜的Offner补偿器，各镜面的间隔要求5微米左右，偏心误差在7秒左右。这样的装配要求几乎达到了工程极限，任何一点疏忽将导致严重的***误差。

大口径非球面主镜补偿检验的数据，直接指导主镜的加工，它的正确与否直接决定了主镜最终的加工结果。由于补偿器所需补偿的球差与主镜口径的一次方和相对口径的三次方成正比。因此，就补偿器自身而言是一个大球差***，特别是对于大口径高陡度主镜，更是如此。这也决定了补偿器对误差很敏感，微小的差错和疏忽都将导致灾难性的后果。历史上就出现了由于补偿器的问题而产生的重大事故。因此，如何实现补偿器的高精度标校，提高补偿器的可靠性，杜绝类似事故的出现，已成为大口径非球面主镜加工的首要任务之一。现有的补偿方法主要是依靠计算全息技术。计算全息图(Computer-generated holograms，简称CGH)，是1971年由美国科学家A.J.Macgovern和J.C.Wyant在光学全息法的基础上提出的。其实质是利用计算机来综合的全息图，它不需要物体的实际存在，而是把物波的数学描述输入计算机后，控制制作设备加工完成全息图。用CGH标定补偿器，就是利用CGH的衍射波面模拟主镜的反射波面，这样就可以在近距离、小口径的情况下，完全模拟理想的大口径非球面主镜反射波面；然后利用大规模集成电路设备，制作出衍射全息片。但是，CGH制作过程有很多误差源，如CGH的基板面形、台阶刻蚀深度、以及刻线的位置误差等均会使标定精度造成很大影响。特别是刻线位置误差对CGH的衍射波面精度影响较大，但目前还不能通过直接测量刻线位置和半径，来准确的确定刻线的位置误差，因此制作出来的全息片精度是不确定的。用其标定补偿器存在很大的风险。全息片不同的衍射级次同样会给检测造成不利影响，会形成对检测不利的额外干涉噪声，对比度较差。随着非球面主镜口径的增大及相对口径的增加，非球面的非球面度迅速增加，全息片要模拟主镜的反射波面需要刻蚀的线条宽度非常小，现有设备保证足够的刻蚀精度面临重大挑战。因此，总体来说，目前对非球面补偿器的标定手段存在很大的技术风险。

发明内容

本发明要解决技术问题是：相对现有非球面补偿器标定手段CGH精度不确定、对比度差、制作困难等不足，本发明的目的是提供一种具有制作成本低、主要误差源可精测、对比度好、加工简单、用于标定非球面零检测补偿器的折反式逆补偿器。

为实现所述目的，本发明提供的折反式补偿器解决技术问题所采用的技术解决方案包括：干涉仪、透镜、负透镜和反射球面镜，其中：在干涉仪和透镜之间设置有被标定的非球面零检测补偿器；在反射球面镜和透镜之间设置有负透镜，透镜用于校正高级球差，负透镜用于产生定量球差；光线两次通过负透镜和透镜后，透镜和透镜产生的球差之和与非球面零检测补偿器的理论球差大小相等符号相反；干涉仪发出的单波长发散球面波，经过非球面零检测补偿器后形成了发散球面波，该带有球差的发散球面波依次通过透镜、负透镜到达反射球面镜，光束经过反射球面镜反射后，第二次通过负透镜和透镜，并通过非球面零检测补偿器后到达干涉仪，通过干涉仪对非球面零检测补偿器的***像差进行检测。

本发明的有益效果：与现有技术相比具有以下优点，

折反式逆补偿器只包含三片光学元件，其中，负透镜承担了绝大部分的球差量，透镜主要用来补偿负透镜尚未补偿完的高级球差，反射球面镜的作用是使光线沿原路返回。整个折反式逆补偿器制作成本低，加工较为简单，常规的光学加工就可以实现所需的精度要求。

各元件的折射率、均匀性、面形误差、厚度误差、装配间隔误差、偏心误差等参数均可精密测量。因此，该折反式逆补偿器的可靠性得以大大提高。

该折反式逆补偿器无不同级次干扰问题，其干涉条纹的对比度可近似达到100％。

附图说明

图1为本发明的折反式逆补偿器；

图2为本发明各符号含义示意图。

图中元件说明：

1为光源或干涉仪；

2为非球面零检测补偿器；

2a为非球面零检测补偿器的第一片透镜(靠近干涉仪的透镜)；

2b为非球面零检测补偿器的第二片透镜；

3为透镜；

3q为透镜第一面；

3h为透镜第二面；

4为负透镜；

4q为负透镜第一面；

4h为负透镜第二面；

5为反射球面镜；

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1示出本发明的折反式逆补偿器，折反式逆补偿器用于对非球面零检测补偿器进行标定，本发明的折反式逆补偿器包括干涉仪1、透镜3、负透镜4和反射球面镜5。其中，在干涉仪1和透镜3之间设置有被标定的非球面零检测补偿器2；在反射球面镜5和透镜3之间设置有负透镜4，透镜3用于校正高级球差，负透镜4用于产生定量球差；光线两次通过负透镜4和透镜3后，透镜4和透镜3产生的球差之和与非球面零检测补偿器2的理论球差大小相等符号相反；干涉仪1发出的单波长发散球面波，经过非球面零检测补偿器2后形成了发散球面波，该带有球差的发散球面波依次通过透镜3、负透镜4到达反射球面镜5，光束经过反射球面镜5反射后，第二次通过负透镜4和透镜3，并通过非球面零检测补偿器2后到达干涉仪1，通过干涉仪1对非球面零检测补偿器2的***像差进行检测。

所述透镜3的球差系数S₂满足：

$S_2=\frac{I_1{L}_1\sin U_1(\sin I_1-\sin I_1^{\′})(\sin I_1^{\′}-\sin U_1)}{\cos \frac{1}{2}(I_1-U_1)\cos \frac{1}{2}(I_1^{\′}+U_1)\cos \frac{1}{2}(I_1+I_1^{\′})}$

$+\frac{n_a{I}_2{L}_2\sin U_2(\sin I_2-\sin I_2^{\′})(\sin I_2^{\′}-\sin U_2)}{\cos \frac{1}{2}(I_2-U_2)\cos \frac{1}{2}(I_2^{\′}+U_2)\cos \frac{1}{2}(I_2+I_2^{\′})}$

$=-S_0/2-S_3$

式中S₀为非球面零检测补偿器2的球差系数；S₃为负透镜4的球差系数，I₁、I′₁、U₁、L₁、分别为光线对于透镜3的第一面3q的入射角、折射角、物方孔径角、物方截距；

式中n_a为透镜3的折射率；I₂、I′₂、U₂、L₂分别为光线对于透镜(3)的第二面3h的入射角、折射角、物方孔径角、物方截距；

$I_1=\arcsin \left(\frac{L_1-r_1}{r_1}\sin \left(U_1\right)\right),$

$I_1^{\′}=\arcsin \left(\frac{1}{n_a}\sin I_1\right),$

U₂＝U₁+I₁-I′₁，

$L_2=r_1+r_1\frac{\sin I_1^{\′}}{\sin U_1^{\′}}-d_1,$

$I_2=\arcsin \left(\frac{L_2-r_2}{r_2}\sin \left(U_2\right)\right),$

I′₂＝arcsin(n_a×sin(I₂))；

式中：r₁为透镜3第一面3q的半径；U′₁为光线对于透镜3第一面3q的像方孔径角；d₁为透镜3的厚度；r₂为透镜3第二面3h的半径。

所述的折反式逆补偿器的负透镜4，其特征在于：其球差系数S₃满足：

$S_3=\frac{I_3{L}_3\sin U_3(\sin I_3-\sin I_3^{\′})(\sin I_3^{\′}-\sin U_3)}{\cos \frac{1}{2}(I_3-U_3)\cos \frac{1}{2}(I_3^{\′}+U_3)\cos \frac{1}{2}(I_3+I_3^{\′})}$

$+\frac{n_b{I}_4{L}_4\sin U_4(\sin I_4-\sin I_4^{\′})(\sin I_4^{\′}-\sin U_4)}{\cos \frac{1}{2}(I_4-U_4)\cos \frac{1}{2}(I_4^{\′}+U_4)\cos \frac{1}{2}(I_4+I_4^{\′})}$

$\≈-S_0/2$

式中S₀为非球面零检测补偿器2的球差系数；n_b为负透镜4的折射率；I₃、I₃’、U₃、L₃分别为光线对于负透镜4第一面4q的入射角、折射角、物方孔径角、物方截距。

式中I₄、I₄’、U₄、L₄分别为光线对于负透镜4第二面4h的入射角、折射角、物方孔径角、物方截距；

$I_3=\arcsin \left(\frac{L_3-r_3}{r_3}\sin \left(U_3\right)\right),$

I′₃＝arcsin(sin(I₃)/n_b)，

U₄＝U₃+I₃-I′₃；

$L_4=r_3+r_3\frac{\sin I_3^{\′}}{\sin U_3^{\′}}-d_2,$

$I_4=\arcsin \left(\frac{L_4-r_4}{r_4}\sin \left(U_4\right)\right),$

I′₄＝arcsin(n_b×sin(I₄))；

式中r₃为负透镜4第一面4q的半径；U₃’为光线对于负透镜4第一面4q的像方孔径角、d₂为负透镜4的厚度；r₄为负透镜4第二面4h的半径。

所述光线通过透镜3、负透镜4后形成发散球面波。

所述的反射球面镜5的球心与光线通过透镜3、负透镜4后形成的发散球面波的球心重合。因此光线经反射镜5反射后，原路返回，再次通过负透镜4、透镜3，然后通过补偿器到达干涉仪完成检测。

利用折反式逆补偿器对非球面零检测补偿器2(如图1中所示的非球面零检测补偿器2，由第一片透镜2a、第二片透镜2b组成)进行标定，具体光学参数如表1所示：

表1

光学参数及性能指标：

数值孔径NA＝0.13，

工作波长λ＝0.6328μm，

非球面零检测补偿器球差系数S₀＝2.735

透镜(3)的球差系数S₂＝0.00079

负透镜(4)的球差系数S₃＝-1.367

波面像差：PV＝0.025λ，RMS＝0.005λ，

最大光学元件口径：

图2为本发明各符号含义示意图，其中，∑为某一元件的一个工作面，I_i为入射角，I_i’为折射角，U_i为物方孔径角，U_i’为像方孔径角，r_i为工作面∑的半径，O_i为工作面∑的顶点，L_i为物方截距，L_i’为像方截距，A为物点，A’为像点。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明权利要求包含的范围之内。

Claims (5)

1.一种折反式逆补偿器，其特征在于包括：干涉仪、第一透镜、第一负透镜和反射球面镜，其中：

在干涉仪和第一透镜之间设置有被标定的非球面零检测补偿器；

在反射球面镜和第一透镜之间设置有第一负透镜，第一透镜用于校正高级球差，第一负透镜用于产生定量球差；

光线两次通过第一负透镜和第一透镜后，第一负透镜和第一透镜产生的球差之和与非球面零检测补偿器的理论球差大小相等符号相反；干涉仪发出的单波长发散球面波，经过非球面零检测补偿器后形成了发散球面波，该带有球差的发散球面波依次通过第一透镜、第一负透镜到达反射球面镜，光束经过反射球面镜反射后，第二次通过第一负透镜和第一透镜，并通过非球面零检测补偿器后到达干涉仪，通过干涉仪对非球面零检测补偿器的***像差进行检测。

2.根据权利要求1所述的折反式逆补偿器，其特征在于：第一透镜的球差系数S2满足：

$S_2=\frac{I_1{L}_1\sin U_1(\sin I_1-\sin I_1^{\′})(\sin I_1^{\′}-\sin U_1)}{\cos \frac{1}{2}(I_1-U_1)\cos \frac{1}{2}(I_1^{\′}+U_1)\cos \frac{1}{2}(I_1+I_1^{\′})}$

$+\frac{n_a{I}_2{L}_2\sin U_2(\sin I_2-\sin I_2^{\′})(\sin I_2^{\′}-\sin U_2)}{\cos \frac{1}{2}(I_2-U_2)\cos \frac{1}{2}(I_2^{\′}+U_2)\cos \frac{1}{2}(I_2+I_2^{\′})}$

$=-S_0/2-S_3$

式中S₀为非球面零检测补偿器的球差系数；S₃为第一负透镜的球差系数，I₁、I_′1、U₁、L₁分别为光线对于第一透镜的第一面的入射角、折射角、物方孔径角、物方截距；

式中n_a为第一透镜的折射率；I₂、I′₂、U₂、L₂分别为光线对于第一透镜的第二面的入射角、折射角、物方孔径角、物方截距；

$I_1=\arcsin \left(\frac{L_1-r_1}{r_1}\sin \left(U_1\right)\right),$

$I_1^{\′}=\arcsin \left(\frac{1}{n_a}{\sin I}_1\right)$

U₂＝U₁+I₁-I′₁，

$L_2=r_1+r_1\frac{{\sin I}_1^{\′}}{{\sin U}_1^{\′}}-d_1$

$I_2=\arcsin \left(\frac{L_2-r_2}{r_2}\sin \left(U_2\right)\right),$

I′₂＝arcsin(n_a×sin(I₂))；

式中：r₁为第一透镜的第一面的半径；U₁′为光线对于第一透镜的第一面的像方孔径角；d₁为第一透镜的厚度；r₂为第一透镜的第二面的半径；所述第一透镜的第一面是靠近非球面零检测补偿器的一面，所述第一透镜的第二面是远离非球面零检测补偿器的一面。

3.根据权利要求1所述的折反式逆补偿器，其特征在于：所述第一负透镜的球差系数S₃满足：

$S_3=\frac{I_3{L}_3\sin U_3(\sin I_3-\sin I_3^{\′})(\sin I_3^{\′}-\sin U_3)}{\cos \frac{1}{2}(I_3-U_3)\cos \frac{1}{2}(I_3^{\′}+U_3)\cos \frac{1}{2}(I_3+I_3^{\′})}$

$+\frac{n_b{I}_4{L}_4\sin U_4(\sin I_4-\sin I_4^{\′})(\sin I_4^{\′}-\sin U_4)}{\cos \frac{1}{2}(I_4-U_4)\cos \frac{1}{2}(I_4^{\′}+U_4)\cos \frac{1}{2}(I_4+I_4^{\′})}$

$\≈-S_0/2$

式中S₀为非球面零检测补偿器的球差系数；n_b为第一负透镜的折射率；I₃、I₃’、U₃、L₃分别为光线对于第一负透镜的第一面的入射角、折射角、物方孔径角、物方截距；

式中I₄、I₄’、U₄、L₄分别为光线对于第一负透镜的第二面的入射角、折射角、物方孔径角、物方截距；

$I_3=\arcsin \left(\frac{L_3-r_3}{r_3}\sin \left(U_3\right)\right),$

I′₃＝arcsin(sin(I₃)/n_b)，

U₄＝U₃+I₃-I′₃；

$L_4=r_3+r_3\frac{{\sin I}_3^{\′}}{{\sin U}_3^{\′}}-d_2,$

$I_4=\arcsin \left(\frac{L_4-r_4}{r_4}\sin \left(U_4\right)\right),$

I′₄＝arcsin(n_b×sin(I₄))；

式中r₃为第一负透镜的第一面的半径；U₃’为光线对于第一负透镜的第一面的像方孔径角、d₂为第一负透镜的厚度；r₄为第一负透镜的第二面的半径；所述第一负透镜的第一面是远离反射球面镜的一面，所述第一负透镜的第二面是靠近反射球面镜的一面。

4.根据权利要求1所述的折反式逆补偿器，其特征在于：光线通过第一透镜、第一负透镜后形成发散球面波。

5.根据权利要求1所述的折反式逆补偿器，其特征在于：所述的反射球面镜的球心与光线通过第一透镜、第一负透镜后形成的发散球面波的球心重合。

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