基于光纤点衍射干涉实验光线追迹的像差测量技术与装置的制作方法

1.本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种基于光纤点衍射干涉实验光线追迹的几何像差测量技术与装置，能够在实验室条件下追迹光线的传播路径，利用该技术实现透镜几何像差的直接测量。


背景技术：

2.光学系统的像差是衡量其质量的关键性指标，常规像差以波前检测为主，测量精度受限于参考镜。无标准镜测量方案包括哈特曼、夏克-哈特曼波前检测、条纹偏转、点衍射干涉等方法，其中哈特曼法和夏克-哈特曼传感器受限于哈特曼屏的孔阑或微透镜的尺寸，对被测元件的采样率较低。条纹偏转法利用光栅或显示器产生的条纹和相位变化来重建透射波前，其精度依赖于光栅质量或显示器的分辨率以及非线性响应。点衍射干涉测量技术以光纤或针孔衍射产生的近似理想球面波作为参考波前，测量精度可达到亚纳米级，已应用在绝对三维坐标和距离、面型、波前测量等方面，但它的精度仍然会受针孔的低透射率或光纤的低数值孔径影响。在波像差测量基础上，可以通过zernike波面拟合间接获得几何像差，而从几何像差定义出发的实验光线追迹法是最直观的测量手段。
3.实验光线追迹是基于几何光学原理，用实验的方法获取光线传播路径的一种技术，很早就应用于透镜的折射率、面形测量、焦距及光学像差等领域，具有结构简单、动态范围大、非接触测量等优势。但目前大多数实验光线追迹法都是通过激光器或光纤准直、孔阑等方式发出固定直径的窄激光束来模拟几何光线，然后利用质心检测对光线进行定位，该方法容易受质心定位算法的精度影响，单个像面的移动也会引入一定的机械位移误差。


技术实现要素：

4.本发明的目的是：由于目前几何像差的测量通常由波像差进行波面拟合得到，且依赖参考镜。为了避免受参考镜的限制，我们发明了一种基于光纤点衍射干涉实验光线追迹的透镜几何像差测量技术与装置。
5.首先介绍光纤点衍射干涉实验光线追迹的原理。如图1(a)所示，pa、pb为空间中的任意两个点光源，从pa、pb衍射出的球面波在像面x1o1y1上发生纵向剪切干涉。i1是pa、pb的连线与像面x1o1y1的交点，由几何关系可知，点光源pa、pb到i1之间的光程差，要大于它们到像面x1o1y1上任意一点n1的光程差，即交点i1是pa、pb到达像面x1o1y1光程差的极大值点。同样，对第二个像面x2o2y2来说,i2也是光程差的极大值点。通过干涉图确定i1、i2的位置，连接i1、i2就能确立一条空间中任意方向的虚拟几何光线。
6.若在两个点光源与第一像面之间放入光学元件，如图1(b)所示，根据费马原理，i1、i2仍然是pa、pb到达两个像面的光程差极值点，i1、i2的连线对应出射光线的方向。改变pa、pb的位置，就能模拟子午或弧矢面内，轴上或轴外任意角度、任意位置入射光学系统的光线，通过两个像面上的干涉图确定各自光程差的极大值点，就能追迹对应的出射光线，从而测量光学系统的几何像差。
7.然后，通过多项式拟合处理从相位图中获得的相位信息，能够将坐标提取精度提高到亚像素级。
8.本发明装置是通过以下技术方案实现的：
9.基于光纤点衍射干涉实验光线追迹的像差测量技术与装置，包括激光器，一分二光纤分束器，光纤(a、b)，薄膜分光镜(bs1、bs2)，单轴位移台，旋转台，无镜头ccd相机，压电陶瓷移相器，数字千分表，待测透镜。
10.方案包括以下步骤：
11.第一步：如图2所示，激光器经过光纤耦合、分束后形成的两个光纤点光源。光纤点光源pa、pb和薄膜分光镜bs1整体固定于单轴位移台，通过待测透镜、薄膜分光镜bs2在ccd1、ccd2的像面上发生干涉。移动单轴位移台可以使pa、pb构成的虚拟光线到达被测透镜在该平面内的任一位置。待测透镜固定于旋转位移台，旋转被测透镜可以模拟轴外斜光线入射。点光源pb所在的光纤缠绕在压电陶瓷移相器上，当移相器径向膨胀时拉伸光纤引入相移，采集两个 ccd上的移相干涉图送入计算机进行处理；
12.第二步：模拟子午面内平行于光轴的入射光线，方法如下：若两个光纤点光源模拟的光线穿过被测透镜中心，就模拟了轴上入射光线，若两个光纤点光源和薄膜分光镜同时沿垂直光轴的方向移动，就模拟了不同孔径高的入射光线；
13.第三步：模拟子午和弧矢面内的斜入射光线，方法如下：如图3(a)所示，在待测透镜的子午面内，若pa保持不动，pb沿垂直光轴方向移动到p
b1
。pb、p
b1
关于薄膜分光镜bs1的共轭点为pb′
、p
b1
′
，则papb′
为子午面内的轴上入射光线， pap
b1
′
为子午面内的轴外斜入射光线；如图3(b)所示，p
a1
p
b1
′
为子午面内通过光瞳中心的一条倾斜光线，若p
a1
、p
b1
和薄膜分光镜bs1整体沿垂直光轴方向移动，就可模拟子午面内通过透镜不同孔径的斜入射光线，其中p
a1
p
b1
′
为主光线， p
a2
p
b2
′
、p
a3
p
b3
′
为平行于p
a1
p
b1
′
的对称光线；待测透镜弧矢面内斜入射光线的模拟与子午面同理，如图3(c)所示，p
a1
、p
b1
和薄膜分光镜bs1整体沿垂直子午方向移动，其中p
a4
p
b4
′
、p
a5
p
b5
′
为平行于p
a1
p
b1
′
的对称光线。
14.第四步：按照几何像差的定义，利用此方法对透镜的球差、彗差、场曲和像散进行测量。图4为被测透镜的光学参数。
15.本发明的有益效果是：
16.1、具有可产生近似理想的球面波、干涉法测量精度高的优势；
17.2、本装置能同时实现在透镜子午和弧矢面内任意位置和角度的光线入射，满足几何像差的测量需求；
18.3、无需依靠特定的标准镜产生参考波，降低了硬件制造要求；
19.4、避免了传统实验光线追迹技术受限于质心检测算法的缺点，并引入两个像面，降低了机械位移误差。
附图说明
20.图1为点光源光程差极大值点和光线穿过光学元件后的出射方向。
21.图2为光纤点衍射移相干涉实验光线追迹测量原理图。
22.图3分别为子午面内的轴上和斜入射光线、子午面内的斜入射光线和弧矢面内的斜入射光线。
23.图4为被测透镜的光学参数。
24.图5为无待测透镜的零位干涉图和放入待测透镜的零位干涉图。
25.图6为球差测量的原理和示意图。
26.图7为球差测量的干涉图和相位分布图。
27.图8为相对球差(fh′‑
f0′
.5
)的测量结果(示例)。
28.图9为子午彗差的测量原理和示意图。
29.图10为像散的测量原理和示意图。
30.图11为平移透镜后在像面产生的坐标偏移。图1(a)双点光源光程差极大值点；(b)光线穿过光学元件后的出射方向。图3(a)子午面内的轴上和斜入射光线；(b)子午面内的斜入射光线；(c)弧矢面内的斜入射光线。图5(a)无待测透镜的零位干涉图；(b)放入待测透镜的零位干涉图。图6(a)球差测量原理；(b)球差测量示意。图7(a)h＝2mm、ccd1上的球差测量干涉图和相位分布图；(b)h＝2mm、ccd2上的球差测量干涉图和相位分布图；(c)h＝6mm、ccd1上的球差测量干涉图和相位分布图；(d)h＝6mm、ccd2上的球差测量干涉图和相位分布图。图9(a)子午彗差测量原理；(b)子午彗差测量示意。图10(a)像散测量原理；(b)像散测量示意。
具体实施方式
31.下面结合实例和附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
32.1、零位调校
33.实验前，应确保待测透镜光轴和像面中心重合。如图5(a)所示，未放待测透镜时，光纤点光源pa和pb确定的几何光线应经过两个ccd像面的中心，且干涉条纹是同心圆环，通过处理干涉图就能确定光线的初始位置。放入待测透镜后，调整透镜的位置使干涉条纹与像面的中心再次重合，如图5(b)所示，即完成光轴的零位调校。像差测量实验中，两个ccd的像面间距应是已知的，其标定方法在我们先前的专利(cn201811123618.1)中已经给出，此处不再赘述。
34.2、球差测量
35.球差可以由平行于光轴的光线经过光学系统后，在像空间与光轴各个交点的轴向偏差来表示，如图6(a)所示，平行光线pa′
pb′
距离光轴h入射，经过被测透镜折射后交于光轴f
′
和两个像面m1、m2。f为被测透镜的焦点，即理想像面所在的位置。f、f
′
到被测透镜主点p的距离分别为f、f
′
，则球差可以表示为
36.δf＝f
′‑
f(1)
37.设sn为交点f
′
与ccd1的距离，h为孔径高，根据图中的相似关系
38.39.于是，
40.其中d为ccd1、ccd2之间的轴向距离，b1、b2分别为m1o1、m2o2的距离。由于在实际测量中，理想像面的位置无法精确测得，所以以孔径高0.5mm处的光线为参考光线，测得的球差结果是其它孔径与0.5mm处球差的差值，即
41.δf
′
＝fh′‑f′
0.5
(4)
42.如图6(b)所示的测量装置，沿垂轴方向移动单轴位移台获得以不同孔径高入射透镜的光线，孔径h由数字千分表监测。图7列出了分别在2mm、6mm处从两个相机上获得的干涉图，并对其解包裹处理得到相位图，其中的极值点代表了出射光线与像面的交点。表1是相对球差测量结果示例：
43.表1相对球差测量结果(单位：mm)
[0044][0045]
图8显示了被测透镜在孔径高h为1mm～6mm的相对球差测量结果以及与zemax仿真值的比较。可见不同孔径高的相对球差测量结果与zemax仿真值变化趋势基本一致。
[0046]
3、子午彗差测量
[0047]
彗差描述了轴外倾斜光线通过光学系统后在像空间相对于主光线的不对称性。由于整体转动两个光纤点光源获得斜入射光线的操作不便，我们采用顺时针转动被测透镜的方法来改变入射光线的角度α，如图9(a)所示。
[0048]
此时由于光阑也跟随被测透镜顺时针旋转，按照主光线由光瞳中心入射的定义，需要将位移台向上平移相应的距离v，才能到达主光线的入射位置。如图9(a)所示，l为被测透镜旋转中心o与光阑中心之间的轴向距离，旋转角为α，则平移量v可计算为
[0049]
v＝l
·
sinα(5)
[0050]
点光源pa、pb整体平移后，测量主光线与ccd1、ccd2的交点o1、o2的坐标，然后按照预定的孔径高使光线papb分别向上、下平移相同距离h得到p
a1
p
b1
、p
a2
p
b2
，测量出射光线与ccd1、ccd2的交点m1、m2、n1、n2的坐标。根据相似关系，则被测透镜在不同入射角下的子午彗差为：
[0051][0052]
其中，a1、a2为m1o1、m2o2的距离，d为ccd1、ccd2之间的轴向距离，sn为m1m2、n1n2的交点f
′
与ccd1的轴向距离
[0053][0054]
其中b1、b2分别为m1n1、m2n2的距离。
[0055]
因被测透镜旋转导致光轴旋转，实际的子午彗差k
t
为
[0056]kt
＝k
t
′
·
cosα(8)
[0057]
沿垂直光轴方向整体移动平台得到通过透镜不同孔径的倾斜光线，孔径h由数字千分表监测，角度α由安装在透镜下方的旋转台监测，如图9(b)所示。
[0058]
4、子午场曲测量
[0059]
场曲描述了倾斜光线通过光学系统后在像空间的交点与理想像面的轴向偏差。以子午场曲测量为例，设距主光线垂直方向
±
0.5mm处的光线对所包络的区域为子午细光束，与彗差测量相同，旋转被测透镜获得不同的入射角α，根据公式(7)计算倾斜光线对的交点f
′
与ccd1之间的距离。
[0060]
因光轴旋转了α，实际的子午细光束交点sn为
[0061]
sn＝sn′
·
cosα(10)
[0062]
由于理想像面的位置无法精确测得，所以在实际测量中我们以入射角为3
°
时的结果为参考，即所测场曲为其它入射角相对于3
°
入射角时子午细光束在像空间交点的轴向偏差。
[0063]
5、像散测量
[0064]
像散由子午面和弧矢面的倾斜细光束通过光学系统后，在像空间的子午交点与弧矢交点之间的轴向偏差表示。
[0065]
同样地，本实验以距主光线垂直方向
±
0.5mm处的光线对所包络的区域为细光束，通过旋转被测透镜改变入射角α，然后平移光纤点光源到主光线的入射位置。由于机械结构限制，光纤在弧矢面的移动较为困难，因此我们改为沿子午面和弧矢面移动被测透镜，实现对被测透镜不同孔径h的入射，如图10(a)所示。主光线与像面x1o1y1、x2o2y2的交点分别为o1、o2，子午光线对与像面x1o1y1、x2o2y2交点之间的距离分别为b
t1
、b
t2
，弧矢光线对与像面x1o1y1、x2o2y2交点之间的距离分别为b
s1
、b
s2
，分别在不同入射角情况下测量上述交点间距，然后根据相似关系计算子午面和弧矢面光线对的交点与x1o1y1之间的距离s
t
、ss[0066][0067]
其中d为像面x1o1y1、x2o2y2之间的轴向距离。
[0068]
则被测透镜在各个入射角下的像散为
[0069]
δ
st
′
＝s
t-ss(12)
[0070]
因光轴旋转了α，实际的像散为
[0071]
δ
st
＝δ
st
′
·
cosα(13)
[0072]
如图10(b)所示，实验过程中被测透镜分别沿子午和弧矢方向移动，移动量h由数字千分表监测，角度α由旋转台监测。
[0073]
需要注意的是，由于两个像面并未移动，出射光线与像面的交点坐标也同时变化了h，如图11所示，在结果计算时要对像面坐标进行补偿。
[0074]
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。