[发明专利]用于检测凸非球面面形误差的折反式部分补偿器及设计方法

权利要求书

1.用于检测凸非球面面形误差的折反式部分补偿器，其特征在于，该补偿器包括，一个折射式透镜和一个中心开口的球面反射镜，二者组成同轴结构；其中，折射式透镜用于部分地补偿被测凸非球面的三级像差，其口径大于系统入瞳直径；球面反射镜的中心有某一孔径的开口，其顶点位置近似位于折射式透镜的像方焦平面上，并与折射式透镜组成同轴结构，球面反射镜用于将被凸非球面发散的光束原路反射回凸非球面上；被测凸非球面与折反式部分补偿器共轴，构成折反式部分补偿检测系统。

2.根据权利要求1所述的用于检测凸非球面面形误差的折反式部分补偿器，其特征在于，所述折反式部分补偿检测系统中光线追迹的过程为，由干涉仪发出的一束平行光束被折射式透镜会聚后，穿过球面反射镜的中心开口直接射入到被测凸非球面上，并被凸非球面反射到球面反射镜后再次沿原路反射回凸非球面，当光线第二次被凸非球面反射后，沿原路传输回到干涉仪中。

3.用于检测凸非球面面形误差的折反式部分补偿器的设计方法，其特征在于，根据光线追迹和三级像差理论，推导并计算折反式部分补偿器在检验光路中的初始结构参数；采用光学设计仿真软件作为设计平台，设置系统初始参数、优化变量、优化目标和优化操作数，寻找最佳优化设计方法，实现凸非球面反射镜全口径面形误差的检测，其具体步骤为：

步骤一，设定系统参数

根据需要设定系统入瞳直径D和波长λ；

步骤二，计算折反式部分补偿器的初始光学参数

根据需要设定球面反射镜顶点与被测凸非球面顶点之间的距离d1；根据上述部分补偿检测系统中光线的追迹过程，追迹部分补偿检测系统的边缘光线，可以求得球面反射镜的初始光学参数；根据三级像差理论，可以求得折射式透镜的初始光学参数；则折射式透镜与球面反射镜顶点之间的距离d2为折射式透镜的焦距；

步骤三，利用光学设计仿真软件对折反式部分补偿器的结构进行优化设计

在光学设计仿真软件中，设置系统初始参数，设置步骤二中求得的折反式部分补偿器的初始光学参数为优化变量，设置优化操作数和优化目标进行优化，得到可用于检测凸非球面面形误差的折反式部分补偿器；

步骤四，判断优化结果是否可行

优化完成后仿真系统像面的剩余波前，计算剩余波前的最大波前斜率K，判断干涉条纹是否可以被探测，若K≤0.45λ/像素，则干涉条纹可以被探测，且部分补偿器合适，否则干涉条纹不可以被探测，需重新设定部分补偿器参数，再次优化，直至满意为止。

4.根据权利要求3用于检测凸非球面面形误差的折反式部分补偿器的设计方法，其特征在于：步骤二中所述距离d1应根据不同的被测凸非球面做不同的初步设置，利用光学设计仿真软件对补偿器进行优化后，得到的最优解是不同的。

5.根据权利要求3用于检测凸非球面面形误差的折反式部分补偿器的设计方法，其特征在于：步骤二中非球面的截面方程为

其中，c是非球面顶点曲率，c＝1/R₀，R₀是非球面顶点曲率半径，k是二次曲面系数，k＝-e²，e是二次曲面偏心率，E、F、G、H是非球面高次曲面系数；

根据上述整个部分检测系统的光线追迹过程，追迹部分补偿检测系统的边缘光线，其射入到被测凸非球面的边缘后再被原路反射回部分补偿检测系统，结合几何关系和反射定律，可以求得球面反射镜的初始光学参数，即口径D’和曲率半径R’。

6.根据权利要求3用于检测凸非球面面形误差的折反式部分补偿器的设计方法，其特征在于：对于上述步骤二，从干涉仪发出的平行光束，通过折射式透镜两次、在球面反射镜上反射一次、被非球面镜反射两次，在这个补偿检测系统中，折射透镜和球面反射镜产生的三级像差被用于补偿被测凸非球面的三级像差，整个系统的三级像差系数满足以下的关系：

2S_IL1+S_IM1+2S_IM2＝0(2)

其中，S_IL1，S_IM1，S_IM2分别代表折射式透镜、球面反射镜、被测凸非球面镜的三级球差系数；其中，三级球差系数S_I可以表示为

S_I＝ΣhP+h⁴K(3)

其中，

h是系统光线在每一个光学表面上入射或出射时的高度，n和n’分别是系统光线被光学表面折射或反射前、后的折射率或反射率，u和u’分别是系统光线经每一个光学表面入射或出射后与光轴的夹角；

根据公式(2)～(5)和近轴光路公式求得折射式透镜的初始光学参数，即两个光学表面的曲率半径r1和r2。