非零位检测凹抛物面镜的部分补偿透镜体系与设计方法技术

本发明专利技术公开了一种非零位检测凹抛物面镜的部分补偿透镜体系与设计方法。本发明专利技术由多个部分补偿透镜组成，总补偿范围覆盖常用被测抛物面镜参数；设计方法包括：对F数小于1.2的被测抛物面镜计算部分补偿透镜初始结构；设定约束条件，在检测路模型中优化部分补偿透镜结构参数；改变被测抛物面镜参数，调整被测抛物面镜与部分补偿透镜之间的距离确定被测抛物面镜参数边界，做出补偿范围D-R图；对不可补偿区中F数小于1.2的被测抛物面镜设计新的部分补偿透镜，直至多个部分补偿透镜覆盖常用被测抛物面镜参数范围；筛选多个部分补偿透镜构建补偿能力数据库。本发明专利技术解决了部分补偿透镜补偿范围分析和体系设计问题，实现了抛物面镜的通用化检测。

【技术实现步骤摘要】
非零位检测凹抛物面镜的部分补偿透镜体系与设计方法
本专利技术涉及光学
，特别是一种非零位检测凹抛物面镜的部分补偿透镜体系与设计方法。
技术介绍
在对非球面镜进行非零位干涉检测时，部分补偿透镜通过补偿被测面的大部分法线像差，将返回到干涉仪探测器像面处的波前斜率降低到可分辨范围，使系统得以采集到清晰的干涉条纹，是部分补偿法干涉检测非球面的关键元件。部分补偿透镜不需对被测面进行完全零位补偿，只要探测器处的波前斜率在可分辨范围内即可，因此一种参数的部分补偿透镜可以对一定参数范围内的非球面镜实现检测。尽管如此，一个部分补偿透镜所能补偿的被测非球面镜范围依然有限，难以实现通用化检测。在非球面中，凹抛物面镜得到广泛应用，因此，合理设计并选择若干个部分补偿透镜组成体系，以较少的部分补偿透镜数量覆盖常用被测抛物面镜参数范围，构建体系的补偿能力数据库，是采用部分补偿法实凹抛物面镜通用化检测的必要前提。设计部分补偿透镜体系前，需要对单个部分补偿透镜进行优化设计，约束条件主要有三种：一种如文献利用部分补偿透镜进行非球面面形测量(北京理工大学学报，2004，Vol.24，No.7，P625～628)中所述，在CODEV光学设计软件中约束波像差曲线最大斜率；文献用于非球面通用化检测的部分零位透镜(红外与激光工程，2009，Vol.38，No.2，P322～325)中提出将探测器平面的条纹密度作为约束条件，道理相同。第二种方法如文献基于Zemax的部分补偿透镜的优化设计(光学学报，2011，Vol.31，No.6，P0622002-1～0622002-7)中所述，约束条件为像面弥散圆的最大半径。第三种如文献用于非球面通用化检测的部分零位透镜(红外与激光工程，2009，Vol.38，No.2，P322～325)和文献Designofpartialnullsfortestingoffastasphericsurfaces(Proc.OfSPIE，2007，Vol.6671，No.66710W，P66710W-1～66710W-8)中所述，将光线入射被测面的入射角作为约束控制。但是这些约束条件仅限定了探测器处条纹可被分辨，实际设计时无法保证透镜的可加工性，在检测中也无法保证测量结果的径向剪切误差控制在可接受范围内，因此，这样的约束并不完善，实用性较低。尽管文献利用部分补偿透镜进行非球面面形测量(北京理工大学学报，2004，Vol.24，No.7，P625～628)中对三个部分补偿透镜的设计实例进行了初步的补偿范围分析，但并没能构成部分补偿透镜体系及建立详细的补偿范围数据库，难以实现对一定范围内特定被测面的通用化检测。另外，已有技术中的部分补偿镜设计大多采用多片式结构，加工和装调成本较高，也增加了实际检测中系统校准的难度。因此需要设计单片式部分补偿透镜体系，以简单实用的结构和方法实现对常用凹抛物面镜的通用化检测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，为凹抛物面镜的通用化检测，提供一种非零位检测凹抛物面镜的部分补偿透镜体系与设计方法，并解决现有技术中部分补偿透镜设计时约束条件不完善、实用性较低的技术问题。非零位检测凹抛物面镜的部分补偿透镜体系，包括多个部分补偿透镜，每个部分补偿透镜有各自可补偿的被测抛物面镜参数范围，且所有部分补偿透镜的补偿范围能够衔接在一起，使体系的总补偿范围覆盖常用的被测抛物面镜参数；统计体系中每个部分补偿透镜的详细补偿范围边界，构建体系补偿范围数据库，作出对被测抛物面镜的补偿范围图；根据补偿范围图，能够直观判断给定被测抛物面镜能否被该部分补偿透镜体系补偿；根据所建立的体系补偿范围数据库，可以对被测抛物面镜进行更加准确的判断，并从中选择最适合对给定被测抛物面镜实现部分补偿检测的最佳部分补偿透镜；对给定被测抛物面镜，无需重新设计加工部分补偿透镜，直接从体系中选择最佳部分补偿透镜用于检测即可。一种非零位检测凹抛物面镜的部分补偿透镜体系设计方法如下：步骤1、初始结构计算选择一个被测抛物面镜，其F数小于1.2；通过几何光学原理和初级像差理论分析的方法，计算对被测抛物面镜进行补偿的单片式部分补偿透镜的初始结构参数；所述的部分补偿透镜，其靠近被测面的表面为标准球面，远离被测面的表面设为平面，且由平行光入射；步骤2、部分补偿透镜的优化2-1.在光学设计软件中对简化后的等效干涉检测路建模，该等效模型的光路结构为平面波透过部分补偿透镜后入射到被测抛物面镜上，光波由被测抛物面镜反射，返回的光波再次通过部分补偿透镜，在像面处与由光学设计软件提供的标准平面波发生干涉，形成干涉条纹；2-2.部分补偿透镜的结构为通过计算得到的初始结构参数，被测抛物面镜的形状参数是步骤1中计算部分补偿透镜的初始结构参数时用到的参数；2-3.对部分补偿透镜的初始结构参数、部分补偿透镜与被测抛物面镜之间的距离d进行优化，根据限定的约束条件建立目标函数，对初始结构参数和距离d进行优化求解；所述的初始结构参数包括部分补偿透镜前后表面的曲率半径、厚度、口径及材料；所述的光学设计软件包括Zemax、CodeV、ASAP、LightTools及所有具有光线追迹功能的软件；所述的目标函数的约束条件如下：a.部分补偿透镜的口径大小、厚度及材料满足光学设计要求与实际加工标准；b.像面处相干波前的最大斜率值满足奈奎斯特采样定律；c.像面波前单调，中心光程最长并沿径向递减；步骤3、对优化部分补偿透镜的补偿范围进行分析3-1.在等效模型中使用优化后的结构参数，同时初始化被测抛物面镜的起始顶点曲率半径R及起始最小口径DMIN(一般取5mm)，将部分补偿透镜与被测抛物面镜之间的距离d初始化为零；将部分补偿透镜与被测抛物面镜之间的距离d设为变量；其中被测抛物面镜的起始顶点曲率半径R＝-DMIN×F，DMIN为抛物面镜的起始最小口径，F为部分补偿透镜的F数；3-2.根据步骤2-3建立的目标函数进行优化求解，若优化时间超出设定的最长求解时间TMAX(一般取10s)仍不能满足约束条件，则按照步长S增大被测抛物面镜的顶点曲率半径R的绝对值，再重新优化距离d；如此循环直至满足约束条件，然后将被测抛物面镜的口径D和顶点曲率半径R分别记录在数组a和数组b中；3-3.按照步长S1增大被测抛物面镜的口径D，其顶点曲率半径R保持上一次的记录值不变，根据步骤2-3建立的目标函数进行优化求解，若优化时间超出设定的最长求解时间TMAX(一般取10s)仍不能满足约束条件，则按照步长S增大被测抛物面镜的顶点曲率半径绝对值，再重新优化距离d；3-4.重复循环步骤3-2和3-3，直至被测抛物面镜的口径D达到预先设定的最大值DMAX；所述的数组a和数组b中所记录的对应的被测抛物面镜的口径D和顶点曲率半径R，组成了部分补偿透镜可补偿的被测抛物面镜参数边界值，画出该部分补偿透镜的补偿范围D-R图，并标记可补偿区与不可补偿区；步骤4、从补偿范围D-R图中不可补偿区域中选择F数小于1.2的被测抛物面镜；重复步骤1至步骤3，设计新的部分补偿透镜，直至设计出的多个部分补偿透镜的补偿能力覆盖常用被测抛物面镜的参数范围；步骤5、筛选部分补偿透镜5-1.选择M个补偿范围互补的部分补偿透镜组成部分补偿透镜体系，统计部分补偿透镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
非零位检测凹抛物面镜的部分补偿透镜体系，其特征在于包括多个部分补偿透镜，每个部分补偿透镜有各自可补偿的被测抛物面镜参数范围，且所有部分补偿透镜的补偿范围能够衔接在一起，使体系的总补偿范围覆盖常用的被测抛物面镜参数。

【技术特征摘要】
1.非零位检测凹抛物面镜的部分补偿透镜体系的设计方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、初始结构计算选择一个被测抛物面镜，其F数小于1.2；通过几何光学原理和初级像差理论分析的方法，计算对被测抛物面镜进行补偿的单片式部分补偿透镜的初始结构参数；所述的部分补偿透镜，其靠近被测面的表面为标准球面，远离被测面的表面设为平面，且由平行光入射；步骤2、部分补偿透镜的优化2-1.在光学设计软件中对简化后的等效干涉检测光路建模，等效模型的光路结构为平面波透过部分补偿透镜后入射到被测抛物面镜上，光波由被测抛物面镜反射，返回的光波再次通过部分补偿透镜，在像面处与由光学设计软件提供的标准平面波发生干涉，形成干涉条纹；2-2.部分补偿透镜的结构为通过计算得到的初始结构参数，被测抛物面镜的形状参数是步骤1中计算部分补偿透镜的初始结构参数时用到的参数；2-3.对部分补偿透镜的初始结构参数、部分补偿透镜与被测抛物面镜之间的距离d进行优化，根据限定的约束条件建立目标函数，对初始结构参数和距离d进行优化求解；所述的初始结构参数包括部分补偿透镜前后表面的曲率半径、厚度、口径及材料；步骤3、对优化部分补偿透镜的补偿范围进行分析3-1.在等效模型中使用优化后的结构参数，同时初始化被测抛物面镜的起始顶点曲率半径R及起始最小口径DMIN，将部分补偿透镜与被测抛物面镜之间的距离d初始化为零；将部分补偿透镜与被测抛物面镜之间的距离d设为变量；其中被测抛物面镜的起始顶点曲率半径R＝-DMIN×F，DMIN为抛物面镜的起始最小口径，F为部分补偿透镜的F数；3-2.根据步骤2-3建立的目标函数进行优化求解，若优化时间超出设定的最长求解时间TMAX仍不能满足约束条件，则按照步长S增大被测抛物面镜的顶点曲率半径R的绝对值，再重新优化距离d；如此循环直至满足约束条件，然后将被测抛物面镜的口径D和顶点曲率半径R分别记录在数组a和数组b中；3-3.按照步长S增大被测抛物面镜的口径D，其顶点曲率半径R保持上一次的记录值不变，根据步骤2-3建立的目标函数进行优化求解，若优化时间超出设定的最长求解时间TMAX仍不能满足约束条件，则按照步长S增大被测抛物面镜的顶...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东，杨甬英，师途，种诗尧，张磊，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33