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CN115790453A - 一种曲率半径测量方法及系统 - Google Patents

一种曲率半径测量方法及系统 Download PDF

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CN115790453A
CN115790453A CN202211604630.0A CN202211604630A CN115790453A CN 115790453 A CN115790453 A CN 115790453A CN 202211604630 A CN202211604630 A CN 202211604630A CN 115790453 A CN115790453 A CN 115790453A
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CN
China
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wave aberration
mirror
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interferometer
curvature
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CN202211604630.0A
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English (en)
Inventor
胡摇
刘一鸣
郝群
王子琛
徐楚恒
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Beijing Institute of Technology BIT
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Beijing Institute of Technology BIT
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Abstract

一种曲率半径测量方法及系统，能够利用较短的导轨即可实现曲率半径的高精度检测，极大增大了干涉法的测量范围，降低了测试成本。方法包括：(1)搭建检测光路，测量待测镜口径，将待测镜移动至共焦位置；(2)推动待测镜沿光轴方向移动，在位移测量干涉仪中获取轴向位移距离，在相位测量干涉仪中获取离焦波前；(3)对离焦波前进行Zernike拟合，获取离焦系数；(4)在光学设计软件中对测试光路精确建模，将系统波像差中的离焦系数作为系统的优化目标，将待测镜曲率半径作为优化变量，利用光学设计软件的优化功能进行优化，直至软件获取的系统波像差与实际测量获取的系统波像差一致，得到待测镜的曲率半径。

Description

一种曲率半径测量方法及系统
技术领域
本发明涉及光干涉测量仪器的技术领域，尤其涉及一种曲率半径测量方法，还涉及一种曲率半径测量系统。
背景技术
球面光学元件在光刻技术、天文光学、惯性约束聚变等先进光学系统中有着广泛的应用。曲率半径决定了球面镜对光的调制效果，是球面光学元件最重要的参数之一。因此，曲率半径的高精度检测在球面光学元件的制造中具有重要意义。
干涉法是应用最为广泛的曲率半径测量方法。干涉法首先通过干涉图判定猫眼位置与共焦位置，随后推动被测镜在两位置之间移动，通过测量被测镜的移动距离获取曲率半径。被测镜的移动通常需要精密直线导轨，在这个过程中，必须保证导轨长度大于曲率半径。当待测镜的曲率半径较大时，线性导轨的长度也会较长，导轨的直线度很难保证，较长的导轨也会大幅增加测试成本。因此，导轨的长度严重限制了干涉法的曲率半径测量范围。并且，长距离推动待测镜将会极大增加测试时间，降低了测试效率，使得测试结果容易受到温度、空气扰动等环境因素的影响。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种曲率半径测量方法，其能够利用较短的导轨即可实现曲率半径的高精度检测，极大增大了干涉法的测量范围，降低了测试成本。
本发明的技术方案是：这种曲率半径测量方法，其包括以下步骤：
(1)搭建检测光路，测量待测镜口径，将待测镜移动至共焦位置；
(2)推动待测镜沿光轴方向移动，在位移测量干涉仪中获取轴向位移距离，在相位测量干涉仪中获取离焦波前；
(3)对离焦波前进行Zernike拟合，获取离焦系数；
(4)在光学设计软件中对测试光路精确建模，将系统波像差中的离焦系数作为系统的优化目标，将待测镜曲率半径作为优化变量，利用光学设计软件的优化功能进行优化，直至软件获取的系统波像差与实际测量获取的系统波像差一致，得到待测镜的曲率半径。
本发明利用曲率半径与离焦波前和轴向移动距离的关系计算曲率半径，相较于传统干涉法，大幅抑制了对于导轨长度的依赖，增大了测量范围，缩短了测试时间，提高了测试效率，因此能够利用较短的导轨即可实现曲率半径的高精度检测，极大增大了干涉法的测量范围，降低了测试成本。
还提供了一种曲率半径测量系统，其包括：波前测量干涉仪(1)、待测球面镜(2)、位移测量干涉仪(3)、线性导轨(4)、测量模块、拟合模块、系统波像差优化模块；
测量模块，其配置来测量待测镜的口径；
拟合模块，其配置来对测量获取的系统波像差进行Zernike拟合，获取系统波像差的离焦系数；
系统波像差优化模块，其配置来在光学设计软件中，将系统波像差的离焦系数作为系统的优化目标，将待测镜的曲率半径作为优化变量，利用光学设计软件的优化功能进行优化，直至软件获取的系统波像差与实际测量获取的系统波像差一致。
附图说明
图1是根据本发明的曲率半径测量系统的硬件结构示意图。
图2为波前测量干涉仪获取的离焦波前。
图3是根据本发明的曲率半径测量方法的流程图。
具体实施方式
如图3所示，这种曲率半径测量方法，其包括以下步骤：
(1)搭建检测光路，测量待测镜口径，将待测镜移动至共焦位置；
(2)推动待测镜沿光轴方向移动，在位移测量干涉仪中获取轴向位移距离，在相位测量干涉仪中获取离焦波前；
(3)对离焦波前进行Zernike拟合，获取离焦系数；
(4)在光学设计软件中对测试光路精确建模，将系统波像差中的离焦系数作为系统的优化目标，将待测镜曲率半径作为优化变量，利用光学设计软件的优化功能进行优化，直至软件获取的系统波像差与实际测量获取的系统波像差一致，得到待测镜的曲率半径。
本发明利用曲率半径与离焦波前和轴向移动距离的关系计算曲率半径，相较于传统干涉法，大幅抑制了对于导轨长度的依赖，增大了测量范围，缩短了测试时间，提高了测试效率，因此能够利用较短的导轨即可实现曲率半径的高精度检测，极大增大了干涉法的测量范围，降低了测试成本。
优选地，所述步骤(4)中，所述光学设计软件为Zemax。
如图1所示，还提供了一种曲率半径测量系统，其包括：波前测量干涉仪1、待测球面镜2、位移测量干涉仪3、线性导轨4、测量模块、拟合模块、系统波像差优化模块；
测量模块，其配置来测量待测镜的口径；
拟合模块，其配置来对测量获取的系统波像差进行Zernike拟合，获取系统波像差的离焦系数；
系统波像差优化模块，其配置来在光学设计软件中，将系统波像差的离焦系数作为系统的优化目标，将待测镜的曲率半径作为优化变量，利用光学设计软件的优化功能进行优化，直至软件获取的系统波像差与实际测量获取的系统波像差一致。
优选地，波前测量干涉仪的中心出射光束为主光轴、线性导轨移动方向与位移测量干涉仪工作方向与主光轴平行；待测平面镜由线性导轨负载移动，由位移测量干涉仪监视移动距离；发散光束从波前测量干涉仪中出射，经待测球面镜反射，返回波前测量干涉仪，在相位测量干涉仪中获取离焦波前。
以下详细地说明本发明的一个具体实施例。
本实施例所述待测球面镜口径为23.62mm，调整待测镜到共焦位置，使用的光学设计软件为Zemax。
步骤一、搭建检测光路，测量待测镜口径，将待测镜移动至共焦位置；
步骤二、推动待测镜沿光轴方向移动，在位移测量干涉仪中获取轴向位移距离为1.4936mm，在相位测量干涉仪中获取离焦波前如图2所示；
步骤三、对离焦波前进行Zernike拟合，获取离焦系数为9.0890λ；
步骤四、在光学设计软件中对测试光路精确建模，将系统波像差中的离焦系数作为系统的优化目标，将待测镜曲率半径作为优化变量，利用光学设计软件的优化功能进行优化，直至软件获取的系统波像差与实际测量获取的系统波像差一致，即可得到待测镜的曲率半径为101.6870mm。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种曲率半径测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)搭建检测光路，测量待测镜口径，将待测镜移动至共焦位置；
(2)推动待测镜沿光轴方向移动，在位移测量干涉仪中获取轴向位移距离，在相位测量干涉仪中获取离焦波前；
(3)对离焦波前进行Zernike拟合，获取离焦系数；
(4)在光学设计软件中对测试光路精确建模，将系统波像差中的离焦系数作为系统的优化目标，将待测镜曲率半径作为优化变量，利用光学设计软件的优化功能进行优化，直至软件获取的系统波像差与实际测量获取的系统波像差一致，得到待测镜的曲率半径。
2.曲率半径测量系统，其特征在于：其包括：波前测量干涉仪(1)、待测球面镜(2)、位移测量干涉仪(3)、线性导轨(4)、测量模块、拟合模块、系统波像差优化模块；
测量模块，其配置来测量待测镜的口径；
拟合模块，其配置来对测量获取的系统波像差进行Zernike拟合，获取系统波像差的离焦系数；
系统波像差优化模块，其配置来在光学设计软件中，将系统波像差的离焦系数作为系统的优化目标，将待测镜的曲率半径作为优化变量，利用光学设计软件的优化功能进行优化，直至软件获取的系统波像差与实际测量获取的系统波像差一致。
3.根据权利要求2所述的曲率半径测量系统，其特征在于：波前测量干涉仪的中心出射光束为主光轴、线性导轨移动方向与位移测量干涉仪工作方向与主光轴平行；待测平面镜由线性导轨负载移动，由位移测量干涉仪监视移动距离；发散光束从波前测量干涉仪中出射，经待测球面镜反射，返回波前测量干涉仪，在相位测量干涉仪中获取离焦波前。
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