CN103743548A - 一种补偿***及高次非球面检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种补偿***、高次非球面检测装置及方法，该补偿***包括多块共轴的光学镜片，所述多块光学镜片中设有一块分光镜，该分光镜的一个表面为二次非球面表面，该二次非球面位于所述补偿***的中间位置，光线将垂直入射到上述二次非球面表面，部分光线经反射按原光路返回形成标准光，另外部分光线则从该面垂直透射形成测量光。由于测量光和标准光在分光镜之前的光学***中共光路，使得这些元件的面形误差、***装配精误差，偏心误差、材料折射率均匀性以及装卡应力造成的不利影响均被抵消，对加工装配精度要求大大下降，这有利于给各种装配偏差留出误差空间，能够达到更高检测精度，并确保最终检测精度可靠有效。

Description

一种补偿***及高次非球面检测装置和方法

技术领域

本发明涉及光学非球面检测领域，尤其是一种具有高精度的高次非球面检测用的补偿***和检测方法。

背景技术

非球面能够在光学设计中赋予单个表面更多特性，能够实现***简化，成像质量提高等优点，但方程形式比较复杂，参数较多：

$y=\frac{{\mathrm{cx}}^2}{1+\sqrt{1-c^2{k}^2{x}^2}}+A_1{x}^2+A_2{x}^4+A_3{x}^6+...$

其中，c＝1/r，r即为曲率半径，代表非球面顶点区域的曲率半径，k是二次项系数，说明了非球面的类型，如抛物面，双曲面或者椭球面，若A₁,A₂,A₃…≠0,则称为高次非球面。

高次非球面要比制造普通的球面镜困难的多，其中重要的原因便是高次非球面的检测要比球面难得多。现有的用于非球面的检测手段主要包括干涉检测和轮廓测量两类。干涉检测的优点是测量速度快，能够迅速进行整个表面的测量，同时直观的干涉条纹还有利于对表面误差状况进行直接判断。干涉仪并不能直接对非平面以外的表面进行直接检测，需要设计专门的补偿***，产生与被检表面形状一致的波面，但高次非球面引入，使得整个检测过程变得比常规二次非球面更加复杂。

常见的非球面检测装置如图1所示，其包括干涉仪1，设置在干涉仪前的标准平面分光镜2，以及设置在该标准平面分光镜2与被测非球面4之间的补偿***3。其测量方案是将干涉仪1发出的光在标准平面分光镜1处分成两束光路，其中标准光反射回干涉仪1，测量光经过补偿***3形成与被测非球面4基本一致的波面。

请参见图2，图2是现有的多镜片补偿***。该补偿***示意了包含4块非球面镜时的示例。然而在补偿***3的设计阶段，要综合考虑各种实际加工误差进行公差分配，包括：面形精度、偏心、中心厚度、曲率半径以及折射率均匀性等，利用不同的概率统计方法进行评估，如蒙特卡罗方法或者最大似然概率。利用该方法设计大偏离量、大相对孔径的高次非球面补偿***时，所需的非球面片数可达到6片。误差来源大大增加，对上述任意误差稍有放松，即会超出测试精度要求，因此还要特殊的手段和方法实现高精度检测。

在通常的高精度补偿器的误差评估中，高精度球面补偿透镜公差一般按照加工误差进行规定，如将中心厚度按±0.01mm，偏心0.01mm，面形精度PV0.1λ分配，这些指标已经比较严格，对于1－2镜片构成的补偿器而言，检测精度还可以满足大多数精度要求。

然而当补偿器镜片数目增加到6片，***的误差来源极为复杂，经过初步估计，按照上述常规方法进行高次非球面补偿检测，即使每片镜片的工艺精度全部达到极为苛刻的技术要求，整个补偿***检测精度峰谷值将超过1λ（λ＝632.8nm）。显然该精度在对高次非球面进行检测时，是达不到要求的。

因此，对于现行的多镜片补偿***，急需在精度方面有所提高，以满足高次非球面的检测。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种用于高次非球面检测领域的补偿***，以及使用该补偿***的高次非球面检测方法。该补偿***能够解决现有的多镜片补偿***精度不高的问题，将高次非球面的检测精度提高到λ/5（λ＝633nm）以内的等级，大大改善了高次非球面镜的制作品质。

根据本发明的目的提出的一种补偿***，应用于非球面检测装置中，包括多块共轴的光学镜片，所述多块光学镜片中有一块分光镜，该分光镜位于所述补偿***的中间位置，在该分光镜之前，至少设置1块或1块以上的光学镜片，在该分光镜之后，也至少设置1块或1块以上的光学镜片，当光线从所述分光镜的正面入射至反面后发生分光，部分光线经反面反射按原光路返回，另外部分光线则从该反面透射。

优选的，所述分光镜的反面为一种二次非球面，该二次非球面被设计成当光线按正方向入射至该二次非球面时，波矢传播方向与该二次非球面的法向矢量平行。

优选的，所述二次非球面上设有对透射光的占比进行调整的光学镀膜。

优选的，所述补偿***的光学镜片数量至少为3块。

根据本发明的目的提出的一种高次非球面检测装置，包括干涉仪和如上所述的补偿***，其中所述补偿***中的二次非球面构成了该高次非球面检测装置的分光面。

优选的，被所述二次非球面反射的部分光线作为标准光反射回干涉仪中，透射光则作为测量光继续传播，经过位于该分光镜之后的光学镜片形成与被测非球面面形一致的波面。

根据本发明的目的提出的一种高次非球面检测方法，该方法使用如上所述的高次非球面检测装置进行，将所述补偿***置入干涉仪和被测高次非球面之间，调节补偿***中的各个光学镜片，使这些光学镜片共光轴，调节位于所述分光镜后面的光学镜片，使测量光经过这些光学镜片后形成与被测高次非球面一致的波面，并被被测高次非球面反射后按原光路返回，进入干涉仪后与标准光发生干涉，形成条纹并被数字化分析，得到误差数据

与现有技术相比，本发明具有如下的技术优势：

1、由于测量光和标准光在分光镜之前的光学***中共光路，则这些元件的面形误差、统装配精误差，偏心误差、材料折射率均匀性以及装卡应力造成的不利影响均被抵消，对加工装配精度要求大大下降，这有利于给各种装配偏差留出误差空间，确保最终检测精度可靠有效。可达到常规二次曲面的检测精度，能够实现pv<λ/5（λ＝633nm）的检测精度；

2、引入的非球面的检测不会增加成本，因为被测非球面之前的光学***都是自然的检测***，设计检测精度很高，足以适应面形精度优于PV0.2λ的情况；

3、由于光学材料介质的作用，包含分光镜在内的测量光和标准光共光路***中，波面误差仅为（n-1）×err，其中n为擦了折射率，err为***误差，以常见玻璃n=≈1.5，则分光二次非球面的面形引入误差仅为其面形误差的一半。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的非球面检测装置示意图。

图2是现有的多镜片补偿***示意图。

图3是本发明的补偿***的示意图。

图4是本发明的高次非球面检测装置的整体示意图。

图5A是本发明的检测装置获得的高次非球面的波面图像。

图5B是应用图2所示的现有的检测装置获得的高次非球面的波面图像。

具体实施方式

正如背景技术中所述，在高次非球面镜的制作过程中，对高次非球面的检测是相当关键的技术。现有的高次非球面检测技术，大多采用干涉检测法进行。该方法中，为了提高对大偏离量、大相对孔径的高次非球面的补偿能力，往往需要采用多块非球面光学透镜组成补偿***。然而，每块光学透镜在制作时都会形成外形尺寸上的误差，并且镜片与镜片之间还存在装配对位误差。因此随着光学透镜镜片数量的增加，补偿***本身的误差被不断放大，以6块非球面镜为例，即使以极其苛刻的要求制备得到每块镜片，在这些镜片装配到一起之后，所能引起的误差仍然可以达到PV（峰谷值，peak to valley）1λ（λ＝632.8nm），这对于高次非球面的检测显然是不利的。

因此，本发明提出了一种新的补偿***，该补偿***能够抵消部分光学镜片自身的加工误差以及彼此之间的装配误差，减少镜片与镜片之间对位精度的要求，使得多镜片之间的装备变得简单，方便人员进行调节。该补偿***具体的设计思路为，取消原有的标准平面分光镜，在多块镜片中间，***一块具有二次非球面的分光镜，该分光镜具有如下的性质：以干涉仪射出光线的方向为正方向，该分光镜位于光路中的时候，以首先接触到光线的一面为正面，相对该正面的一面为反面，当光线从该分光镜的正面入射到反面时，部分光线经反面反射按原光路返回，形成标准光，另外部分光线则从反面射出，且经过位于该分光镜之后的光学镜片形成与被测非球面基本一致的波面，形成测量光。注意到标准光在反面反射时按原光路返回，根据光路的可逆原理，当测量光返回至该分光镜的反面时，与该标准光的光路重合，即标准光与测量光在分光镜及之前的光学镜片中形成共光路。这样一来，不仅整个检测***的分光面从原来位于干涉仪前面的标准平面分光镜处变成补偿***中的分光镜的反面处，而且由于分光之后的标准光和测量光共光路，因此位于分光镜反面前的光学镜片（包括该分光镜本身）的加工误差和装配误差正好被正反抵消，使得整个补偿***的误差只受位于该分光镜之后的光学镜片影响，大大减少了多镜片补偿***中，由于镜片数量增加而带来的整体误差加大的不良影响。并且采用本发明的补偿***，由于镜片之间的装配误差也被正反抵消，因此降低了整个补偿***的装配要求，操作人员只需大致的按设计光路进行镜片的摆放即可，大大提高了高次非球面检测***的应用性。

下面，将通过附图对本发明的技术方案做详细说明。

请参见图3，图3是本发明的补偿***的示意图。如图所示，该补偿***包括多块共轴的光学镜片，这些光学镜片的数量至少为3块。在这些光学镜片中，设有一块分光镜11，该分光镜11的位置位于该补偿***的中间位置，即在该分光镜11之前，至少设置1块或1块以上的光学镜片12，在该分光镜11之后，也至少设置1块或1块以上的光学镜片13，按图中5块镜片为例，在分光镜11之前的光学镜片12为2块，在该分光镜11之后的光学镜片13的数量为2块。当然在其它一些实施方式中，该分光镜11之前的光学镜片12和之后的光学镜片13的数量是可以变化的，比如当补偿***包含6块镜片时，光学镜片12的数量可以是2块或3块，光学镜片13的数量对应的为3块或2块。具体对这些光学镜片的位置安排，可以使所需测量的高次非球面的要求而定。

该分光镜11具有正反两面，其中正面111的定义为光线沿光路正方面传播时，首先接触到的该分光镜11的面为正面111，相对该正面111的面即为反面112。其中，反面112具有如下的特点：当光线从该分光镜的正面入射到反面时，该反面具有将部分光线按其原光路返，另外部分光线则从反面射出的功能。为了实现该功能，可以对该分光镜11的反面112做如下处理，该反面112为一种二次非球面，该二次非球面被设计成当光线按正方向入射至该二次非球面时，波矢传播方向与该二次非球面的法向矢量平行。进一步地，可以在反面112上制作一层光学薄膜，该光学薄膜比如是增透层或消光层，可以用来对透射光的占比进行调整以达到最好的干涉条纹对比度。注意到标准光在反面112反射时是按原光路返回，根据光路的可逆原理，当测量光返回至该分光镜11的反面112时，与该标准光的光路重合，即标准光与测量光在分光镜及之前的光学镜片中形成共光路。如此，原本在分光镜11之前的各个光学镜片以及其它光学***自身的加工误差以及由装配和材料带来的误差，全部被抵消。整个检测装置的误差只来源于分光镜之后的几块光学镜片。这样一来，大大降低了该检测装置的误差，提高了检测精度。

请参见图4，图4是本发明的高次非球面检测装置的整体示意图，如图所示，该高次非球面检测装置包括干涉仪20和设置在高干涉仪20与被检高次非球面30之间的补偿***10，其中所述补偿***10中的分光镜11的反面112构成了该高次非球面检测装置的分光面。

在使用本发明的高次非球面检测装置进行检测时，首先将补偿***置入干涉仪和被测高次非球面之间，调节补偿***中的各个光学镜片，使这些光学镜片共光轴。然后调节位于所述分光镜后面的光学镜片，使测量光经过这些光学镜片后形成与被测高次非球面一致的波面，并被被测高次非球面反射后按原光路返回，进入干涉仪后与标准光发生干涉，形成条纹并被数字化分析，得到误差数据。

请参见图5，其中图5A是本发明的检测装置获得的高次非球面的波面图像，图5B是应用图2所示的现有的检测装置获得的高次非球面的波面图像，可见，本发明获得的检测结果，其对被检非球面的还原更加到位，检测精度大大提高。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种补偿***，应用于非球面检测装置中，包括多块共轴的光学镜片，其特征在于：所述多块光学镜片中有一块分光镜，该分光镜位于所述补偿***的中间位置，在该分光镜之前，至少设置1块或1块以上的光学镜片，在该分光镜之后，也至少设置1块或1块以上的光学镜片，当光线从所述分光镜的正面入射至反面后发生分光，部分光线经反面反射按原光路返回，另外部分光线则从该反面透射。

2.如权利要求1所述的补偿***，其特征在于：所述分光镜的反面为一种二次非球面，该二次非球面被设计成当光线按正方向入射至该二次非球面时，波矢传播方向与该二次非球面的法向矢量平行。

3.如权利要求2所述的补偿***，其特征在于：所述二次非球面上设有对透射光的占比进行调整的光学镀膜。

4.如权利要求1所述的补偿***，其特征在于：所述补偿***的光学镜片数量至少为3块。

5.一种高次非球面检测装置，其特征在于：包括干涉仪和如权利要求1至4任意项所述的补偿***，其中所述补偿***中的二次非球面构成了该高次非球面检测装置的分光面。

6.如权利要求5所述的高次非球面检测装置，其特征在于：被所述二次非球面反射的部分光线作为标准光反射回干涉仪中，透射光则作为测量光继续传播，经过位于该分光镜之后的光学镜片形成与被测非球面面形一致的波面。

7.一种高次非球面检测方法，该方法使用如权利要求5或6所述的高次非球面检测装置进行，其特征在于：将所述补偿***置入干涉仪和被测高次非球面之间，调节补偿***中的各个光学镜片，使这些光学镜片共光轴，调节位于所述分光镜后面的光学镜片，使测量光经过这些光学镜片后形成与被测高次非球面一致的波面，并被被测高次非球面反射后按原光路返回，进入干涉仪后与标准光发生干涉，形成条纹并被数字化分析，得到误差数据。

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