现代光学检测技术.doc

现代光学检测技术课程设计非球面检测设计摘要：根据非球面的参数要求，设计非球面干涉检测中的Offne补偿器。并分析设计方案、光路和误差。最终确定一个可用于工程实际的补偿检验设计方案，其剩余波像差小于/60。关键词：非球面；补偿器；ZemaxDesigning for non - spherical detectingProfessional: optical engineering Number: 07S021001 Name: WangFengAbstract: According to index require of non-spherical, design for Offne compensation in non-spherical detecting. And analyse its designing project, optical track and error. A possible compensation for the actual test results of the design, less than its remaining wave aberration/60, finally.Keywords: non-spherical; compensation; Zemax0课程设计要求本课程设计要求完成一个非球面干涉检测及非球面干涉检测中零补偿器的设计方法，该方案需包括以下内容：1) 任务要求及分析；2) 干涉检测方法设计及分析；3) 干涉检测中涉及到的光路(如零补偿器参数等)设计结果及分析；4) 误差分析及结论；本课程设计中被测的凹高次非球面的具体参数为：基圆曲率半径R=336.6mm；口径=220mm；非球面的二次项系数k=-0.1156，四次项系数A=-6.326e-11，六次项系数B=1.449e-16。1干涉检测方法设计及分析非球面的面型方程为： (1.1)其中c=1/336.6，k=-e2=-0.1156，A=-6.326e-11，B=1.449e-16。相对孔径D/f=1.31，但是在实际的检测中，口径应比被检口径大10%，所以实际的相对孔径应为D/f=1.44。最大非球面度，代入参数得被检非球面的最大非球面度为0.02。法线像差R=ze2，代入参数得被检非球面的法线像差为2.4249mm。以上几个参数反映的便是非球面检测的难度。可知这一非球面为一椭球面加了四次项和六次项的非球面，相对孔径比较大。由上述分析知道，可使用干涉法中的零补偿检验来检测该非球面，这就需要设计补偿系统，由于此非球面的相对孔径大，已经超过1，而且高次项为-16，所以用单个透镜的补偿器应该很难实现检测，所以采用两个透镜的Offner补偿系统。2 Offner零补偿器的设计2.1 补偿器的初始结构参数Offner零补偿器由两个透镜组成：补偿镜和场镜。场镜放在非球面的基圆球心处，补偿镜放置在场镜前面。补偿镜为正透镜，它用来补偿非球面产生的法线象差，场镜将被检非球面镜的口径成像到补偿镜上，可以降低剩余像差。Offner零补偿器的结构如图2.1所示。图2.1 非球面和补偿器组成的系统的示意图若决定了补偿镜的口径便可以由几何关系求出补偿镜的焦距，由于检测所用的干涉仪的最大口径Dmax=100mm，所以选取补偿镜的口径Dc=60mm，这样便可以求出补偿镜的焦距fc。R=336.6mmtan=110/336.6=0.3268=18.1fc=Dc/ 2tan=91.8mm场镜可以设为一平板玻璃。2.2 用Zemax进行非球面和补偿器组成的系统的仿真Zemax中的偶次非球面的表达式为(2.1)它与任务要求中的面型方程有所不同，在输入参数时，要使c=1/336.6，k=-0.1156，1=0，2=-6.326e-11，3=1.449e-16，4=0，5=0，6=0，7=0，8=0。上面已计算出被检镜的法线像差R=2.4249mm，=18.1，则要求补偿镜应该产生大小相等、符号相反的球差，且补偿镜的像方孔径角为=18.1。补偿镜的口径定为Dc=60mm，由=18.1可知补偿镜到被检非球面镜的基圆曲率中心的距离大约为90mm，然后通过改变半径使补偿镜产生的球差尽量为-2.4249mm，这样可确定补偿镜的初始结构如图2.2所示。图2.2 补偿镜初始结构图补偿镜的初始结构参数：r1=60mm，r2=-297mm，d=15mm，口径D=60mm。玻璃材料选择K9玻璃。场镜的玻璃也选用K9玻璃，其半径可以先设成无穷大，即在待检镜曲率中心处放一块平行平板，其厚度可以先定为10mm，然后通过软件优化来改变其半径及厚度。把各个参数输入到Zemax中，利用软件中的：1) pickup控制：顺光路和逆光路同一半径等值同号；顺光路和逆光路同一间隔、厚度等值异号；2) RAID操作数控制：实际入射光线与指定表而的法线的夹角。 经过程序的优化，得到如下结果：表2.1 非球面和补偿器组成的系统的结构参数表面类型半径厚度玻璃半口径二次系数物面球面InfinityInfinity0.0000000.000000光阑球面96.86322927.096650K929.0000000.0000002球面-1243.39273192.20661726.6408110.0000003球面31.75275314.681936K910.3805280.0000004球面278.167974359.9695327.3801520.0000005偶次非球面-336.600000-359.969532MIRROR110.206106-0.1156006球面278.167974-14.6819367.3808880.0000007球面31.752753-92.206617K910.3812420.0000008球面-1243.392731-27.09665026.6406780.0000009球面96.863229-50.000000K928.9997410.00000010近轴面-100.00000028.9993220.000000像面球面Infinity0.0000000.000000补偿镜的口径为58mm，使用He-Ne激光，波长632.8nm。图2.3 系统光路图图2.4 点列图图2.5 光程差图图2.6 波前图此时的波像差P-V值为0.0160，RMS值大约是P-V值的1/5，大约是0.003。3、误差分析由于制造、检测、装调等误差以及材料的折射率测量误差、均匀性的影响，补偿系统的性能将发生变化，补偿系统的误差分类如图3.1所示。图3.1 误差分类由于透镜材料的折射率可以测到110-5的精度，通过计算这个误差对系统的检测精度基本无影响，因此下面的分析可以不考虑。同时面型也忽略。Zemax进行公差分析，分析的结果如表3.1-表3.4所示。表3.1 透镜表面曲率半径公差SurfaceRadius(mm)Tol (mm)RMS Change()196.8630.010.0065622-1243.40.010.000029331.7530.010.0021834278.170.010.0000006278.170.010.000000731.7530.010.0000008-1243.40.010.000000996.8630.010.000000表3.2 透镜厚度及间距公差SurfaceThickness(mm)Tol (mm)RMS Change()127.0970.0060.001177292.2070.0050.001876314.6820.0060.0022656-14.6820.0060.0000007-92.2070.0050.0000008-27.0970.0060.000000表3.3 透镜表面倾斜公差SurfaceTilt X (mm)RMS Change()Tilt Y (mm)RMS Change()10.0030.0046820.0030.00468220.0030.0037840.0030.00378430.0030.0029400.0030.00294040.0030.0005060.0030.00050660.0030.0005090.0030.00050970.0030.0029440.0030.00294480.0030.0037850.0030.00378590.0030.0046830.0030.004683表3.4 透镜偏心及倾斜公差Ele#Srf1Srf2Decenter X(mm)RMS Change()Decenter Y(mm)RMS Change()Tilt X(mm)RMS Change()Tilt Y(mm)RMS Change()1120.0010.0009810.0010.0009810.0030.0009810.0030.0009812340.0010.0017340.0010.0017340.0030.0024110.0030.0024114670.0010.0017360.0010.0017360.0030.0010770.0030.0010775890.0010.0009810.0010.0009810.0030.0004120.0030.000412系统的误差分配使用RSS加法，即平方和的均方根。根据均方根的合成原理，得到系统零件加工及材料误差引起的残留波像差RMS值变化量为： (3.1)系统装调误差引起的残留波像差RMS值变化量为： (3.2)即系统零件加工及材料误差引起的残留波像差RMS值变化量为1/65，系统装调误差引起的残留波像差RMS值变化量1/167，系统设计的误差引起的残留波像差RMS值变化量为3/1000，三者用RSS加法得到的补偿器允许的总误差引起的波像差变化量为： (3.3)非球面面型加工要求精度的RMS值为1/50，满足精度要求。4结论本设计完成了对一非球面的干涉检测方案设计，并且进行了误差分析，分析结果表明符合面型精度要求，但此时的被检非球面镜的口径为220.4mm，而通常要求实际的口径应