[发明专利]一种抑制大口径干涉仪中光学材料非均匀性影响的方法

说明书

本发明公开了一种抑制大口径干涉仪中光学材料非均匀性影响的方法，所述方法为大口径干涉仪中大口径准直透镜及TF标准平板的材料非均匀性的影响提供模拟仿真以及校正方案。首先在光学设计软件Zemax中建立扩束系统模型；采用多项式表征大口径光学材料的折射率非均匀性；采用Zemax中自定义面型实现对折射率三维分布的大口径准直透镜和标准平板的建模并模拟分析大口径材料折射率非均匀性的影响。在扩束系统准确建模的基础之上，通过优化小口径准直镜和TF标准平板前表面的面形参数来抑制大口径光学材料非均匀性的影响。本发明对大口径光学材料折射率三维分布精确建模，并通过优化小口径准直镜的参数来抑制大口径光学材料非均匀性影响，精度高且实用性好。

技术领域

本发明涉及精密光学仪器光学设计领域，具体涉及一种抑制大口径干涉仪中光学材料非均匀性影响的方法。

背景技术

干涉仪是采用光干涉检测技术的仪器，能够实现波长量级的非接触式测量，是检测光学元件、光学系统最有效、最准确的手段之一。随着科学技术的发展，大型光学元件在天文、航天、能源等前沿科学领域逐渐得到广泛应用，大口径光学元件的检测需求日益增加。大口径干涉仪能够直接测量大口径光学元件的表面面形，并且该方法精度高、测量效率高。

光学材料非均匀性的影响是由于光学材料折射率分布不均匀从而导致光线经过一定厚度的光学材料后的光程差不同。光线经过光学材料的光程差可以表示为δ＝Δn·d。其中Δn为折射率非均匀性，d为光学材料的厚度。目前光学材料的折射率非均匀性可以做到10^-6量级，在小口径干涉仪中，光学材料的厚度多为十几毫米，由光程差计算公式可得光学材料非均匀性造成的波前误差pv值不超过λ/4。该波前误差在系统像差容限范围内，不会对测量结果造成影响。而在大口径干涉仪的系统中，由于光学透镜的口径较大，对应的材料厚度可以达到一百多毫米，由光程差计算公式得到的波前误差pv值可以达到1λ以上。该波前误差会对系统的准直波前造成不可忽略的像差，继而使得波前发生传输变形，影响干涉测量的精度。因此在大口径干涉仪的设计加工过程中，必须要考虑大口径光学材料非均匀性的影响并采用适当的方式补偿系统的像差。传统的光学材料非均匀性分析主要是附加波像差法。这种方法的基本思想是将干涉测量测得的光学材料的波前数据直接附加到系统波前像差中。在Zemax中，将干涉测量得到的光学材料波像差分布用Zernike多项式描述，然后再通过将镜面设置为Fringe Zernike Sag型，将对应的各项Zernike系数输入，即可实现对非均匀性的二维仿真。但是附加波像差法在测量光学材料时，得到的是平板光学材料的波像差，而在实际光路中光学材料不一定再是平板，这时测量得到的波像差不能准确的表征实际光线经过该光学材料造成的像差。因此，这种近似处理方法的仿真精度不高。长春光机所杨添星在《材料折射率非均匀性对极小像差光学系统像质的影响》(激光与光电子学进展，2013(11):181-186)中针对极小像差光学系统，采用三维光线追迹的像差仿真方法，实现了对大数值孔径，小像差系统的仿真分析。相比于传统的二维仿真，精度有较大的提高。但该方法只对材料非均匀性的影响做出了仿真没有提出一种可行的像差补偿方案。浙江大学刘洋舟在《高准确度光学系统中材料非均匀性对成像质量的影响》(光子学报,2013,42(004):451-455)中采用龙格库塔法实现光线的追迹并分析了由于毛坯玻璃不同位置处折射率分布不均匀对系统像差造成的影响。提出一种通过计算机模拟仿真，预先选取用来加工透镜的毛坯玻璃的最佳部位以找到最好的装配位置，从而获得更好的系统性能的补偿方法。但大口径干涉仪中的大口径光学材料无法预先选择最佳材料部位，该方法并不适用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抑制大口径干涉仪中光学材料非均匀性影响的方法，采用简单易操作的多种大口径材料非均匀分布对大口径干涉仪影响的Zemax仿真方案以及实用的像差补偿方案，抑制了大口径干涉仪中光学材料非均匀性的影响。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种抑制大口径干涉仪中光学材料非均匀性影响的方法，方法步骤如下：

大口径干涉仪扩束系统光路包含小端口波前出射模块，第一反射镜，小口径准直镜，第二反射镜，第三反射镜，大口径准直镜以及TF标准平板。