一种离轴非球面的调整方法与流程

本发明涉及超高精度非球面面形检测领域，具体涉及一种离轴非球面的调整方法。

背景技术：

目前，非球面光学元件在光学系统中得到了广泛应用，非球面光学元件对现代光学加工和检测技术提出了挑战。因为光学制造的精度和效率很大程度上依赖于检测技术，所以高精度原位检测对于非球面以及离轴非球面镜制造有着非常重要的意义。

光学补偿器法是传统的超高精度非球面检测方法。利用补偿器法检测非球面需要将非球面被测面的光轴与补偿器系统的光轴穿轴。

对于同轴非球面，非球面镜子相对于补偿器系统光轴的X、Y方向的偏心，X、Y方向的倾斜与检测结果的zernike系数中的倾斜和慧差相关。因此，可以通过调整非球面X、Y方向的偏心，X、Y方向的倾斜以及距离补偿器的距离从而将非球面检测结果的zernike系数中的倾斜、慧差和离焦项系数调整到0，就可以将非球面调整到理论检测位置，即非球面被测面的光轴与补偿器系统的光轴穿轴。调整机构一般会存在X、Y、Tilt X、Tilt Y等自由度的耦合，并且调整被测非球面的偏心、倾斜均会引起被测结果中Zernike项中的倾斜以及慧差的变化。一般可以建立调整机构中X、Y、Tilt X、Tilt Y等自由度和面形检测结果中Zernike项中的倾斜以及慧差之间的调整关系的矩阵方程，通过解矩阵方程得出调整台X、Y、Tilt X、Tilt Y等自由度所需的调整量。对于离轴非球面，由于其一般不是圆形区域，因此不能直接建立调整机构中X、Y、Tilt X、Tilt Y等自由度和面形检测结果中Zernike项中的倾斜以及慧差之间的调整关系的矩阵方程。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种离轴非球面的调整方法。所述离轴非球面的调整方法包括步骤：S1，安装离轴非球面，并在离轴非球面上选择一圆形区域；S2，调整离轴非球面的位置，使圆形区域内的数据能够被检测；

S3，平移离轴非球面的位置，并对平移后的位置进行检测，并记录检测结果的zernike系数；S4，建立调整量和zernike系数之间的矩阵方程；S5，解矩阵方程，得到江离轴非球面平移到理想位置所需的调整量；S6，通过所述计算得出的调整量调整离轴非球面。

在一些实施例中，所述步骤S3，平移离轴非球面的位置，并对平移后的位置进行检测，并记录检测结果的zernike系数具体为：调整被测非球面X方向平移Δx微米，检测被测离轴非球面上被选择的圆形区域，得到检测结果，记录此时的检测结果的zernike系数中的倾斜(z2x′、z3x′)，慧差(z7x′、z8x′)系数；调整被测非球面Y方向平移Δy微米，检测被测离轴非球面上被选择的圆形区域，得到检测结果，记录此时的检测结果的zernike系数中的倾斜(z2y′、z3y′)，慧差(z7y′、z8y′)系数；调整被测非球面Tilt X自由度旋转Δu微弧度，检测被测离轴非球面上被选择的圆形区域，得到检测结果，记录此时的检测结果的zernike系数中的倾斜(z2u′、z3u′)，慧差(z7u′、z8u′)系数；调整被测非球面Tilt Y自由度旋转Δv微弧度，检测被测离轴非球面上被选择的圆形区域，得到检测结果，记录此时的检测结果的zernike系数中的倾斜(z2v′、z3v′)，慧差(z7v′、z8v′)系数。在一些实施例中，所述矩阵方程为：

z2x′×x/Δx+z2y′×y/Δy+z2u′×u/Δu+z2v′×v/Δv＝z2′

z3x′×x/Δx+z3y′×y/Δy+z3u′×u/Δu+z3v′×v/Δv＝z3′

z7x′×x/Δx+z7y′×y/Δy+z7u′×u/Δu+z7v′×v/Δv＝z7′

z8x′×x/Δx+z8y′×y/Δy+z8u′×u/Δu+z8v′×v/Δv＝z8′

其中，所述z2′，z3′，z7′，z8′分别为被测非球面任意不在理论检测位置检测离轴非球面上选择的圆形区域内非球面面形，所得到的倾斜(z2′、z3′)以及慧差(z7′、z8′)系数；所述x、y、u、v分别为将非球面调回理论检测位置时调整机构X、Y方向平移，绕X轴旋转(Tilt X)以及绕Y轴旋转(Tilt Y)自由度的调整量。

在一些实施例中，所述步骤S5，解矩阵方程，得到离轴非球面平移到理想位置所需的调整量,具体为：将z2′、z3′、z7′、z8′带入所述矩阵方程中解出x、y、u、v，得到从被测非球面目前的非理论检测位置将其调回理论检测位置所需要的X、Y方向平移，绕X轴旋转(Tilt X)以及绕Y轴旋转(Tilt Y)自由度的调整量。

在一些实施例中，所述步骤S1，安装离轴非球面，并在离轴非球面上选择一圆形区域，具体为：安装离轴非球面，以离轴非球面的中心为中心，在离轴非球面上选择一圆形区域。

在一些实施例中，所述离轴非球面的位置的调整是通过调整机构进行调整。

在一些实施例中，所述离轴非球面平移后的位置通过干涉仪及补偿器系统进行检测。

在一些实施例中，所述离轴非球面被安装在检测支撑板上。

本发明提供的离轴非球面的调整方法以离轴非球面的中心为中心，在离轴非球面上选择一圆形区域。调整时只用此圆形区域内的数据，建立调整机构中X、Y、Tilt X、Tilt Y各个自由度的调整量和面形检测结果中Zernike项中的倾斜以及慧差之间的调整关系的矩阵方程，通过解矩阵方程得出将被测非球面调整到检测位置时调整台X、Y、Tilt X、Tilt Y所需的调整量，这样只需进行一次调整即可将被测非球面调整到检测所需的位置，可以节省大量的调整时间。该方法具有快速、简单、调整精度高等优点。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的离轴非球面检测实验装置结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的离轴非球面选择圆形区域示意图；

图3为根据本发明一个实施例的离轴非球面的调整方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

参考图3所示，是本发明提供的一种离轴非球面的调整方法。所述方法包括：

S1，安装离轴非球面，并在离轴非球面上选择一圆形区域；

S2，调整离轴非球面的位置，使圆形区域内的数据能够被检测；

S3，平移离轴非球面的位置，并对平移后的位置进行检测，并记录检测结果的zernike系数；

S4，建立调整量和zernike系数之间的矩阵方程；

S5，解矩阵方程，得到江离轴非球面平移到理想位置所需的调整量；

S6，通过所述计算得出的调整量调整离轴非球面。

在一些实施例中，所述步骤S3，平移离轴非球面的位置，并对平移后的位置进行检测，并记录检测结果的zernike系数具体为：调整被测非球面X方向平移Δx微米，检测被测离轴非球面上被选择的圆形区域，得到检测结果，记录此时的检测结果的zernike系数中的倾斜(z2x′、z3x′)，慧差(z7x′、z8x′)系数；调整被测非球面Y方向平移Δy微米，检测被测离轴非球面上被选择的圆形区域，得到检测结果，记录此时的检测结果的zernike系数中的倾斜(z2y′、z3y′)，慧差(z7y′、z8y′)系数；调整被测非球面Tilt X自由度旋转Δu微弧度，检测被测离轴非球面上被选择的圆形区域，得到检测结果，记录此时的检测结果的zernike系数中的倾斜(z2u′、z3u′)，慧差(z7u′、z8u′)系数；调整被测非球面Tilt Y自由度旋转Δv微弧度，检测被测离轴非球面上被选择的圆形区域，得到检测结果，记录此时的检测结果的zernike系数中的倾斜(z2v′、z3v′)，慧差(z7v′、z8v′)系数。在一些实施例中，所述矩阵方程为：

z2x′×x/Δx+z2y′×y/Δy+z2u′×u/Δu+z2v′×v/Δv＝z2′

z3x′×x/Δx+z3y′×y/Δy+z3u′×u/Δu+z3v′×v/Δv＝z3′

z7x′×x/Δx+z7y′×y/Δy+z7u′×u/Δu+z7v′×v/Δv＝z7′

z8x′×x/Δx+z8y′×y/Δy+z8u′×u/Δu+z8v′×v/Δv＝z8′

其中，所述z2′，z3′，z7′，z8′分别为被测非球面任意不在理论检测位置检测离轴非球面上选择的圆形区域内非球面面形，所得到的倾斜(z2′、z3′)以及慧差(z7′、z8′)系数；所述x、y、u、v分别为将非球面调回理论检测位置时调整机构X、Y方向平移，绕X轴旋转(Tilt X)以及绕Y轴旋转(Tilt Y)自由度的调整量。

在一些实施例中，所述步骤S5，解矩阵方程，得到江离轴非球面平移到理想位置所需的调整量,具体为：将z2′、z3′、z7′、z8′带入所述矩阵方程中解出x、y、u、v，得到从被测非球面目前的非理论检测位置将其调回理论检测位置所需要的X、Y方向平移，绕X轴旋转(Tilt X)以及绕Y轴旋转(Tilt Y)自由度的调整量。

在一些实施例中，所述步骤S1，安装离轴非球面，并在离轴非球面上选择一圆形区域，具体为：安装离轴非球面，以离轴非球面的中心为中心，在离轴非球面上选择一圆形区域。

在一些实施例中，所述离轴非球面的位置的调整是通过调整机构进行调整。

在一些实施例中，所述离轴非球面平移后的位置通过干涉仪及补偿器系统进行检测。

在一些实施例中，所述离轴非球面被安装在检测支撑板上。

下面结合具体的实施例来对本发明提供的离轴非球面的调整方法进行详细说明。

如图1所示，是实现本发明一种离轴非球面的调整方法的实验装置，其包括干涉仪1，补偿器2，被测非球面3，检测支撑板4调整机构5。被测离轴非球面3通过检测支撑板4安装在调整机构5上。调整机构5用于调整被测离轴非球面3的倾斜，偏心以及离焦。所述干涉仪1发出的光经过干涉仪1的参考平面镜后入射到离轴非球面补偿器2上，经补偿器2后形成理想的非球面波入射到被测离轴非球面3的表面后被被测离轴非球面3反射回干涉仪1。在干涉仪1的CCD上形成干涉条纹。

所述的调整机构5为电动或手动的五自由度调整机构。调整机构5用于调整被测离轴非球面3的倾斜，偏心以及离焦。

所检测的被测离轴非球面3的母镜为旋转对称非球面，其表达式可写为

其中r²＝x²+y²,c＝1/R0，R0为被测离轴非球面母镜的顶点曲率半径，k为二次曲面常数。K值不同时表示不同类型的非球面。

离轴非球面选择圆形区域示意图可参考图2所示，所述被测离轴非球面3的上具有离轴非球面31，选择离轴非球面中心32作为检测的圆形区域33的中心。如图2所示，将离轴非球面31的离轴量记做标号34。

一种非球面的调整方法的调整具体步骤如下：

(1)在所述实验装置上安装被测离轴非球面，并通过调整机构将非球面大体调整到理论检测位置。如图2所示，以离轴非球面31的离轴非球面中心32为中心，在离轴非球面上选择一圆形区域33。调整时只用此圆形区域内的数据。记录检测结果的zernike系数中的离焦(z4)，倾斜(z2、z3)，慧差(z7、z8)系数。

(2)利用调整机构5调整被测非球面X方向平移Δx微米，利用干涉仪1及补偿器2系统检测被测离轴非球面上被选择的圆形区域，得到检测结果，记录此时的检测结果的zernike系数中的倾斜(z2x′、z3x′)，慧差(z7x′、z8x′)系数。

(3)利用调整机构5调整被测非球面Y方向平移Δy微米，利用干涉仪1及补偿器2系统检测被测离轴非球面上被选择的圆形区域，得到检测结果，记录此时的检测结果的zernike系数中的倾斜(z2y′、z3y′)，慧差(z7y′、z8y′)系数。

(4)利用调整机构5调整被测非球面Tilt X自由度旋转Δu微弧度，利用干涉仪1及补偿器2系统检测被测离轴非球面上被选择的圆形区域，得到检测结果，记录此时的检测结果的zernike系数中的倾斜(z2u′、z3u′)，慧差(z7u′、z8u′)系数。

(5)利用调整机构5调整被测非球面Tilt Y自由度旋转Δv微弧度，利用干涉仪1及补偿器2系统检测被测离轴非球面上被选择的圆形区域，得到检测结果，记录此时的检测结果的zernike系数中的倾斜(z2v′、z3v′)，慧差(z7v′、z8v′)系数。

(6)利用(1)-(5)步中得到的数据建立矩阵方程，如下

z2x′×x/Δx+z2y′×y/Δy+z2u′×u/Δu+z2v′×v/Δv＝z2′

z3x′×x/Δx+z3y′×y/Δy+z3u′×u/Δu+z3v′×v/Δv＝z3′

z7x′×x/Δx+z7y′×y/Δy+z7u′×u/Δu+z7v′×v/Δv＝z7′

z8x′×x/Δx+z8y′×y/Δy+z8u′×u/Δu+z8v′×v/Δv＝z8′(公式1)

其中z2′，z3′，z7′，z8′分别为被测离轴非球面任意不在理论检测位置检测离轴非球面上选择的圆形区域内非球面面形，得到的倾斜(z2′、z3′)以及慧差(z7′、z8′)系数，x、y、u、v分别为将离轴非球面调回理论检测位置时调整机构X、Y方向平移，绕X轴旋转(Tilt X)以及绕Y轴旋转(Tilt Y)等自由度的调整量。

(7)将z2′、z3′、z7′、z8′带入矩阵方程(公式1)中解出x、y、u、v，即可得到从被测离轴非球面目前的非理论检测位置将其调回理论检测位置所需要的X、Y方向平移，绕X轴旋转(Tilt X)以及绕Y轴旋转(Tilt Y)等自由度的调整量。

本发明提供的离轴非球面的调整方法以离轴非球面的中心为中心，在离轴非球面上选择一圆形区域。调整时只用此圆形区域内的数据，建立调整机构中X、Y、Tilt X、Tilt Y各个自由度的调整量和面形检测结果中Zernike项中的倾斜以及慧差之间的调整关系的矩阵方程，通过解矩阵方程得出将被测非球面调整到检测位置时调整台X、Y、Tilt X、Tilt Y所需的调整量，这样只需进行一次调整即可将被测非球面调整到检测所需的位置，可以节省大量的调整时间。该方法具有快速、简单、调整精度高等优点。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。