一种用于非球面检测的变焦补偿器光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于非球面检测的变焦补偿器光学系统，包括干涉仪、变焦补偿器、被测非球面，在干涉仪点光源与被测非球面之间插入变焦补偿器，变焦补偿器包括第一补偿透镜和第二补偿透镜，两透镜之间有调焦机构，由干涉仪发出的光线经第一补偿透镜和第二补偿透镜透射后，至被测非球面自准直反射，再经第二补偿透镜和第一补偿透镜透射回到干涉仪，形成检测光路。本发明专利技术可以补偿大范围内变化的复杂面形的像差，在不需要重新加工制造补偿器的情况下完成对多种非球面面形的高精度检测，具有结构简单、面形适应性强等特点；使得设计自由度增大，根据光束入射角度和位置的不同，能够产生较大范围变化的像差；提高了测量的通用性。提高了测量的通用性。提高了测量的通用性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于非球面检测的变焦补偿器光学系统


[0001]本专利技术属于光学检测
，具体涉及一种用于非球面光学镜面面形检测的变焦补偿器光学系统。

技术介绍

[0002]非球面光学镜面与传统球面元件相比，具有更好的设计自由度和灵活的空间布局，通过优化设计非球面的参数指标，可以达到矫正系统像差、改善成像质量等目的。非球面良好的使用特点和成像能力是由其准确的几何轮廓和高精度的面形保证的。在目前的高技术应用中，非球面的面形精度需求已经达到纳米级，甚至是亚纳米级。与之对应的加工方法包括光顺加工、磁流变和离子束加工等先进光学加工方法。无论哪种光学加工方法，都需要更高精度的检测技术作为指导，常用的检测技术有两种。
[0003]第一种为通用的轮廓检测法，一般适用于被测面形误差相对较大的阶段，常用的设备有轮廓仪和三坐标测量机等。这种方法测量非球面时不需要特殊的补偿装置，具有很强的适用性。由于非球面的失高一般存在较大的变化范围(几毫米到几十毫米)，因此轮廓测量法必须有较大量程，相应的就很难获得较高的测量精度。第二种是光学干涉测量法，适用于被测面形精度较高的阶段，常用的设备为干涉仪，这种测量方法测量精度较高，可以达到亚纳米级。在测量非球面时，干涉仪的出射光并不能对非球面进行直接测量，而是需要通过补偿器使得出射的平面波前或球面波前转化为与被测件面形一致的非球面波前，才能达到零位检测的目的。这种借助补偿镜进行检验的方法又叫做补偿检验法。
[0004]在补偿检验系统中，最重要的便是补偿器的设计。补偿器的参数直接决定了光波到达被测件表面时的波前形状，因此必须根据不同的被测件设计最合理的补偿器。补偿器常由两片或三片球面透镜组成，也可以是球面反射镜组合而成，或者是基于衍射原理的计算机全息片。无论何种形式，补偿器都是针对被测面进行像差平衡设计的，只能适用于单一的面形，造成时间和经济成本的巨大浪费，并且补偿器本身的材料、制造、检验与装调都是限制测量精度的重要因素。
[0005]为了解决补偿器使用时的通用性问题，国内外提出了可变像差补偿器的解决思路。公告号为CN 106052583A的中国专利文献公开了“基于可变补偿透镜的非球面面形干涉测量方法及装置”，其中的可变补偿镜为单片高次非球面透镜，补偿能力范围只有0.04λ～17.8λ，而高次非球面的高精度加工及检测比较困难，加工完成后非球面参数误差较大；北京理工大学的李慧兰教授提出三片式部分补偿器，通过改变三片元件的相对轴向距离实现补偿器补偿特性的改变，对凹非球面的补偿能力范围只有92.8λ～121.7λ，补偿后的残余球差太大，不能指导高精度非球面面形的最终检验。上述补偿器的补偿方法，残余球差太大，不能满足高精度非球面面形检测要求。
[0006]本专利技术提供了一种用于非球面检测的变焦补偿器光学系统及其装置，该装置通过调节补偿器两片透镜的间距，把干涉仪出射的平面波前或球面波前转换成与待测非球面理论形状一致的非球面波前，实现对不同参数非球面面形的高精度检测，提高了测量的通用
性，极大降低了补偿检测成本。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种用于非球面检测的变焦补偿器光学系统，该光学系统通过调节补偿器两片透镜的间距，把干涉仪出射的平面波前或球面波前转换成与待测非球面面形一致的非球面波前，实现对不同参数非球面面形的高精度检测，提高了测量的通用性。
[0008]本专利技术通过以下技术方案予以实现：
[0009]一种用于非球面检测的变焦补偿器光学系统，包括干涉仪、变焦补偿器、被测非球面，在干涉仪点光源与被测非球面之间插入变焦补偿器，所述变焦补偿器包括第一补偿透镜和第二补偿透镜，第一补偿透镜和第二补偿透镜之间有调焦机构，由干涉仪发出的光线经第一补偿透镜和第二补偿透镜透射后，至被测非球面自准直反射，再经第二补偿透镜和第一补偿透镜透射回到干涉仪，形成检测光路。
[0010]更进一步的，根据不同的被测非球面参数，调整干涉仪点光源与变焦补偿器的轴向距离L1、变焦补偿器与被测非球面轴向距离L2、及第一补偿透镜和第二补偿透镜间距d，使经过变焦补偿透镜补偿后的波面与被测非球面面形一致。
[0011]更进一步的，所述第一补偿透镜和第二补偿透镜为球面透镜。
[0012]更进一步的，所述被测非球面的面形为二次非球面，面形由如下公式确定，
[0013][0014]式中，c为顶点曲率，K为二次曲线常数，x为非球面的失高。
[0015]更进一步的，所述第一补偿透镜满足其中D1为第一补偿镜透镜的口径，L1为第一补偿透镜与第二补偿透镜之间的间距。
[0016]更进一步的，所述第一补偿透镜和第二补偿透镜之间的间距d调焦范围Δd≤
±
60mm。
[0017]更进一步的，所述被测非球面镜3满足其中D为非球面镜口径，R0为非球面镜顶点曲率半径，-2.5≤K≤-0.9，K为被测非球面二次常数。
[0018]本专利技术的技术效果如下：
[0019]1、本专利技术利用可调节间距的两片透镜作为变焦补偿器，两片透镜均为球面透镜，通过调整干涉仪点光源与变焦补偿透镜组的轴向距离L1，变焦补偿透镜组与被测非球面轴向距离L2，及补偿透镜组镜间距d，使得经过变焦补偿透镜补偿后的波面与被测非球面面形一致，可以补偿大范围内变化的复杂面形的像差，在不需要重新加工制造补偿器的情况下完成对多种非球面面形的高精度检测，具有结构简单、面形适应性强等特点。
[0020]2、本专利技术通过调整干涉仪点光源与变焦补偿透镜组的轴向距离L1，变焦补偿透镜组与被测非球面轴向距离L2，及补偿透镜组镜间距d，使得设计自由度增大，根据光束入射角度和位置的不同，能够产生较大范围变化的像差。
[0021]3、相对于一个非球面对应一个补偿器的测量方法而言，本专利技术适用于多个非球面面形检测，变焦补偿器法降低了补偿器设计和加工的难度，并且可以用一个补偿器对多种
参数的非球面进行测量，用尽可能少的补偿器实现尽可能多的补偿，提高了测量的通用性。
附图说明
[0022]图1是本专利技术检测光路原理图；
[0023]图2是本专利技术变焦补偿器的侧面剖视图；
[0024]图3是图2中变焦补偿器的右视图；
[0025]图4是本专利技术实施例残余波前差图。
[0026]图中标记：1、干涉仪；2、变焦补偿器；201、第一补偿透镜；202、第二补偿透镜；203、镜筒；204、线性轴承；205、内调焦筒；206、电机；207、滚动轴承；208、涡轮；209、蜗杆；3、被测非球面。
具体实施方式
[0027]下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。
[0028]本实施例提供一种如图1所示的用于非球面检测的变焦补偿器光学系统。该光学系统包括干涉仪1、变焦补偿器2、被测非球面3。在干涉仪1点光源与被测非球面3之间插入变焦补偿器2，变焦补偿器2包括第一补偿透镜201和第二补偿透镜202，第一补偿透镜201和第二补偿透镜202之间有调焦机构，由干涉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于非球面检测的变焦补偿器光学系统，其特征在于，包括干涉仪(1)、变焦补偿器(2)、被测非球面(3)，在干涉仪(1)点光源与被测非球面(3)之间插入变焦补偿器(2)，所述变焦补偿器(2)包括第一补偿透镜(201)和第二补偿透镜(202)，第一补偿透镜(201)和第二补偿透镜(202)之间有调焦机构，由干涉仪(1)发出的光线经第一补偿透镜(201)和第二补偿透镜(202)透射后，至被测非球面(3)自准直反射，再经第二补偿透镜(202)和第一补偿透镜(201)透射回到干涉仪(1)，形成检测光路。2.根据权利要求1所述的一种用于非球面检测的变焦补偿器光学系统，其特征在于，根据不同的被测非球面参数，调整干涉仪(1)点光源与变焦补偿器(2)的轴向距离L1、变焦补偿器(2)与被测非球面(3)轴向距离L2、及第一补偿透镜(201)和第二补偿透镜(202)间距d，使经过变焦补偿透镜补偿后的波面与被测非球面面形一致。3.根据权利要求1所述的一种用于非球面检测的变焦补偿器光学...

【专利技术属性】
技术研发人员：董云芬，张盈盈，王波，宫萌，
申请(专利权)人：中科院南京天文仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：