利用部分补偿透镜进行非球面面形测量
在光学仪器中,采用非球面有利于校正像差、改善像质、减轻系统的重量和缩小体积.在现代光学产品中,非球面的应用已经非常普遍,特别是在天文望远镜、卫星遥感相机中必须使用非球面.因此,非球面的检测始终是一个热点问题.
在传统的检测非球面的法线像差补偿法中[1~3],用零补偿器的纵向球差完全补偿非球面的法线像差[4],所有经过补偿器的光线都垂直入射到被检非球面上,使得经非球面反射后返回的波面为平面波或者球面波,从而实现干涉测量.但此方法必须用特定的零补偿器对其进行检验,而且零补偿器结构复杂,对设计、加工和装调的要求严格.与其对比,作者提出用部分补偿透镜进行非球面面形测量的方法,结构更为简单,测量精度更高.
1 测量原理
用部分补偿透镜进行非球面面形测量,不需要完全补偿非球面的法线像差,条纹只需满足在现有CCD分辨能力下被探测的要求,因此系统本身可以有较大的波像差.部分补偿的前提是:采用高分辨力CCD采集由于部分补偿而产生的高密度干涉条纹,CCD的分辨力直接关系到部分补偿透镜的复杂性、补偿程度和补偿范围.利用计算机的数据处理能力,采用光学设计软件计算并存储理论波面,并与实际波面比较得到被测面的面形误差.
非球面的测量原理如图1所示.在测试光路中插入部分补偿透镜,采集带有非球面面形误差信息的实际干涉图,经处理得出实际系统的波面[5],用光线追迹的方法得到系统的理论波面,比较两波面即可得到被测非球面的面形误差.
二次曲面的截面方程为
二次曲面,如椭球面、抛物面、双曲面的法线像差均为正值.一般要检测凸二次曲面,补偿器的球差应与非球面的法线像差符号相同;而要检测凹二次曲面,两者应符号相反。
2 像差设计的约束控制
部分补偿透镜与零补偿器不同,它允许系统存在较大的波像差.因此部分补偿透镜的结构比零补偿器简单,甚至可以是单透镜.在部分补偿透镜的设计中,由于受到CCD分辨力的限制,对探测到的干涉图的条纹间距(波像差的斜率)有要求.用傅里叶变换进行干涉图处理的方法要求波像差曲线有较大的倾斜,并要求干涉条纹的宽度在一定范围内.本方法中,用干涉仪参考平面镜倾斜得到单调且利于后期处理的干涉条纹.条纹过窄不满足采样定理的要求,条纹过宽则不利于后续的滤波处理.
图3为干涉仪中发生干涉的两波面的波像差曲线.曲线1为加倾斜之前的波像差曲线,曲线2为由参考平面镜引入倾斜后的单调的波像差曲线.曲线1斜率最大的点为A和B,曲线2中A点对应的A′点斜率最小,B点对应的B′点斜率最大,且大于B点的斜率.要求此时的干涉条纹仍然能够满足CCD分辨的要求.
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