一种以斜率为优化目标的部分补偿透镜的设计方法

摘要

本发明涉及一种以斜率为优化目标的部分补偿透镜的设计方法，属于非球面检测技术领域。采用目前光电子领域广泛应用的ZEMAX光学设计仿真软件作为设计平台，设定系统参数，根据需要设定入瞳直径D和波长λ；计算部分补偿透镜的光学参数，然后设置反射光路及计算部分补偿检测系统结构参数，实现以斜率作为优化目标。本发明简单快速易实现；本发明对全口径范围的光线进行优化，分析全面合理；本发明采用弥散圆半径作为优化目标，实现了对剩余波像差最大斜率的探测和优化，可在保证干涉条纹可分辨的情况下，简化部分补偿透镜的设计难度，对于某一个补偿器来说，可扩展其检测范围，从而降低检测成本，提高检测速度。

主权项

一种以斜率为优化目标的部分补偿透镜的设计方法，采用目前光电子领域广泛应用的ZEMAX光学设计仿真软件作为设计平台，已知被测非球面口径为D’、顶点曲率半径为R0及离心率为k；其特征在于具体步骤为：第一步：设定系统参数根据需要设定入瞳直径D和波长λ；第二步：计算部分补偿透镜的光学参数首先，打开ZEMAX光学设计软件Lens Data Editor编辑栏，编辑栏中已有三个面，为物面OBJ，光阑STO和像面IMA，将光阑STO作为第一面，在第一面后插入一个面作为第二面，第一面及第二面组成了部分补偿透镜；然后在第二面后插入第三面，设置第三面的Glass类型为MIRROR，并设置第三面的二次曲面系数Conic和口径分别为已知被测非球面的离心率k和口径D’，第三面即可表示被测非球面；在部分补偿检测中，部分补偿透镜的边缘光线入射至被测非球面的边缘，部分补偿透镜的通光相对口径D/f1不小于被测非球面的相对口径D’/R0，即D/f1≥D’/R0，f1为部分补偿透镜的焦距；从而可确定部分补偿透镜的焦距f1≤(D×R0)/D’；设置部分补偿透镜的口径大于入瞳直径D；设定Lens Data Editor编辑栏中Thickness栏下第一面及第二面之间的中心厚度为d1，Glass栏下的材质折射率为n1，Radius栏下第一面、第二面的曲率半径为R1和R2，这些参数均作为优化变量由ZEMAX软件自动优化；第三步：设置反射光路及计算部分补偿检测系统结构参数在被测非球面后设置部分补偿透镜二，相应的将第一个部分补偿透镜称为部分补偿透镜一，设定部分补偿透镜二的参数与部分补偿透镜一的参数一致，通过部分补偿透镜一后的光线在被测非球面处反射后通过部分补偿透镜二；为使在被测非球面处反射的光线能够通过部分补偿透镜二，在ZEMAX软件中做一些设置，具体步骤如下：在被测非球面后插入第四面及第五面，依次代表部分补偿透镜一的第二面和第一面；根据在第二步中设置的部分补偿透镜一的参数R1、R2、d1、n1，首先在Lens Data Editor的Radius栏中设置第四、第五面的曲率半径R4＝R2、R5＝R1，在Glass栏中设置第四、第五面间的材质折射率n2＝n1；部分补偿检测系统结构参数计算过程如下：根据第二步中得到的部分补偿透镜一的焦距f1以及被测非球面顶点曲率半径R0，设置部分补偿透镜一的第二面至被测非球面即第三面的中心厚度d2＝f1+R0，为了使光线在被测非球面处反射后能通过部分补偿透镜二，在Thickness栏中，第三面至第四面的中心厚度d3＝‑d2，设置部分补偿透镜二的第四面至第五面的中心厚度d4＝‑d1；第四步：实现以斜率作为优化目标由于ZEMAX不具有直接优化波前斜率的操作数，为了实现以斜率为优化目标，需要进行特殊的设置：首先，在第五面后插入一面作为第六面，设置其面型类型为Paraxial，作为理想透镜，在被测非球面处反射并通过部分补偿透镜二后的光线将偏离平行光，在理想透镜的焦面上形成一弥散圆；弥散圆半径r＝f2×K，f2为理想透镜的焦距；K为可用最大波前斜率；然后，在Merit Function列表中作下述设置：设置Merit Function菜单Tools子菜单下Default Merit Function的优化目标为Spot Radius，即弥散圆半径，设置类型为RMS；通过上述设置，ZEMAX软件即可对全口径光线进行分析控制，以优化弥散圆半径；其次，部分操作数设置如下：插入操作数REAY作为光线追迹，设置在第三面即被测非球面处Py＝1，优化目标为‑D’/2，再插入同一个操作数REAY，设置Py＝‑1，优化目标为D’/2；通过操作数MNCG作为中心厚度控制，设定部分补偿透镜一的第一面至第二面的中心厚度d1不能小于设定值以利于加工，通过操作数MNEG作为边缘厚度控制，设定部分补偿透镜一的第一面至第二面的边缘厚度不能小于另一设定值；完成以上设置后，设置第二步插入的部分补偿透镜一的第一面及第二面的曲率半径R1，R2，第一面及第二面之间的中心厚度d1及材质折射率n1以及第三步中设置的第二面至被测非球面的中心厚度d2均为优化变量，运行Optimization自动优化程序对系统进行优化，优化完成后记录实际弥散圆半径r’的大小；根据系统确定可用最大波前斜率K，根据理想透镜焦距f2，得到可用弥散圆半径r＝f2×K；判断记录得到的弥散圆半径r’是否小于可用弥散圆半径r，如果r’≤r，则干涉条纹可被观测，且部分补偿透镜合适，否则干涉条纹不可被观测，需重新设定部分补偿透镜参数，再次优化，直至满意为止。