镜片面型的优化方法与流程

1.本发明涉及镜片优化技术领域，具体而言，涉及一种镜片面型的优化方法。


背景技术：

2.光学镜片在加工的过程中，光学镜片会受到镀膜、温度、湿度的影响导致折射率发生变化，进而导致光学镜片成型后的折射率偏离设计的折射率，导致光学镜片组装的光学系统的性能下降。而传统的折射率测试方法需要制定特定形状的样品，且无法完成梯度折射率样品的测试，在对光学镜片优化时存在误差，导致光学镜片优化后仍具有较大的误差。
3.也就是说，现有技术中存在无法精确地标定折射率在有效口径内的变化导致镜片优化效果差的问题。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种镜片面型的优化方法，以解决现有技术中存在无法精确地标定折射率在有效口径内的变化导致镜片优化效果差的问题。
5.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种镜片面型的优化方法，包括：步骤s10：搭建检测光路；步骤s20：确定检测镜片的检测位置的检测坐标为(x,y)；步骤s30：确定测试激光波长λ；步骤s40：确定检测位置的厚度t(x,y)；步骤s50：采用检测光路确定检测位置的折射率变化前后的波前差δw1(x,y)；步骤s60：根据检测位置的厚度t(x,y)、测试激光波长λ和检测位置的折射率变化前后的波前差δw1(x,y)确定检测位置的折射率变化量δn；步骤s70：采用zernike条纹多项式对波前差进行拟合，根据折射率变化量δn、厚度t(x,y)和测试激光波长λ，提取zernike条纹多项式中的重要系数项重新计算得到波前差δw2(x,y)；步骤s80：根据波前差δw2(x,y)和折射率变化量δn优化镜片的面型。
6.进一步地，在步骤s10中包括：获取干涉仪；获取干涉仪的标准镜，将干涉仪的标准镜放至在干涉仪的出光侧；获取检测镜片，将检测镜片设置在干涉仪的标准镜的出光侧；获取反射式补偿器，将反射式补偿器放至在检测镜片的出光侧，以将检测镜片射出的光线原路返回至检测镜片。
7.进一步地，步骤s50包括：确定检测镜片的折射率变化前的检测位置的波前w1(x,y)；确定检测镜片的折射率变化后的检测位置的波前w2(x,y)；根据波前w1(x,y)和波前w2(x,y)确定波前差δw1(x,y)。
8.进一步地，在根据波前w1(x,y)和波前w2(x,y)确定波前差δw1(x,y)的过程中，波前差δw1(x,y)、波前w1(x,y)和波前w2(x,y)满足：δw1(x,y)＝w1(x,y)-w2(x,y)。
9.进一步地，在确定检测镜片的折射率变化前的检测位置的波前w1(x,y)的过程中包括：测试激光穿过检测光路照射折射率变化前的检测镜片的检测位置；检测光路的反射式补偿器反射测试激光并得到波前w1(x,y)。
10.进一步地，在确定检测镜片的折射率变化后的检测位置的波前w2(x,y)的过程中包括：测试激光穿过检测光路照射折射率变化后的检测镜片的检测位置；检测光路的反射
式补偿器反射测试激光并得到波前w2(x,y)。
11.进一步地，在步骤s60中还包括：根据公式(1)确定折射率变化量δn；
[0012][0013]
进一步地，在步骤s70中还包括：
[0014]
根据公式(2)确定波前差δw2(x,y)
[0015][0016]
进一步地，在步骤s70中，重要系数项包括球差、彗差、像散、旋转对称项、非旋转对称项中的至少一种。
[0017]
进一步地，在步骤s80中包括：根据公式(2)优化检测镜片的厚度，进而优化检测镜片的面型。
[0018]
应用本发明的技术方案，镜片面型的优化方法包括：步骤s10：搭建检测光路；步骤s20：确定检测镜片10的检测位置的检测坐标为(x,y)；步骤s30：确定测试激光波长λ；步骤s40：确定检测位置的厚度t(x,y)；步骤s50：采用检测光路确定检测位置的折射率变化前后的波前差δw1(x,y)；步骤s60：根据检测位置的厚度t(x,y)、测试激光波长λ和检测位置的折射率变化前后的波前差δw1(x,y)确定检测位置的折射率变化量δn；步骤s70：采用zernike条纹多项式对波前差进行拟合，根据折射率变化量δn、厚度t(x,y)和测试激光波长λ，提取zernike条纹多项式中的重要系数项重新计算得到波前差δw2(x,y)；步骤s80：根据波前差δw2(x,y)和折射率变化量δn优化镜片的面型。
[0019]
检测光路用于检测检测镜片10的波前。测试激光发生波长为λ的光波照射检测坐标为(x,y)的位置，以便于得到检测坐标为(x,y)位置的波前差δw1(x,y)，并根据厚度t(x,y)、测试激光波长λ、波前差δw1(x,y)构建关于折射率变化量δn的关系式。采用zernike条纹多项式对波前差进行拟合并提取zernike条纹多项式中的重要系数项重新计算得到波前差δw2(x,y)，并根据波前差δw2(x,y)和折射率变化量δn的关系来对镜片的面型进行优化。重要系数项重新计算得到波前差δw2(x,y)是用近似结果取代37项zernike条纹多项式拟合结果，目的是提升结果的稳定性，抑制高频误差对结果的影响。检测镜片10的全口径应用以上公式，即可得到全口径的折射率变化，进而可以对全口径的面型进行调整，以提高镜片优化效果。
附图说明
[0020]
构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0021]
图1示出了本发明的一个可选实施例的检测光路的结构示意图；
[0022]
图2示出了本发明的实施例一的检测镜片的折射率变化前的波前图；
[0023]
图3示出了本发明的实施例一的检测镜片的折射率变化后的波前图；
[0024]
图4示出了本发明的实施例一的检测镜片的波前差图；
[0025]
图5示出了本发明的实施例一的zernike条纹多项式拟合得到的波前差图；
[0026]
图6示出了本发明的实施例一的提取zernike条纹多项式的主要参数得到的波前差图；
[0027]
图7示出了本发明的实施例一中的检测镜片的厚度分布曲线图；
[0028]
图8示出了本发明的实施例一中的检测镜片的折射率变化曲线图；
[0029]
图9示出了本发明的一个可选实施例的镜片面型的优化方法的流程图。
[0030]
其中，上述附图包括以下附图标记：
[0031]
10、检测镜片；20、干涉仪；30、干涉仪的标准镜；40、反射式补偿器。
具体实施方式
[0032]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0033]
需要指出的是，除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0034]
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。
[0035]
为了解决现有技术中存在无法精确地标定折射率在有效口径内的变化导致镜片优化效果差的问题，本发明提供了一种镜片面型的优化方法。
[0036]
如图1至图9所示，镜片面型的优化方法包括：步骤s10：搭建检测光路；步骤s20：确定检测镜片10的检测位置的检测坐标为(x,y)；步骤s30：确定测试激光波长λ；步骤s40：确定检测位置的厚度t(x,y)；步骤s50：采用检测光路确定检测位置的折射率变化前后的波前差δw1(x,y)；步骤s60：根据检测位置的厚度t(x,y)、测试激光波长λ和检测位置的折射率变化前后的波前差δw1(x,y)确定检测位置的折射率变化量δn；步骤s70：采用zernike条纹多项式对波前差进行拟合，根据折射率变化量δn、厚度t(x,y)和测试激光波长λ，提取zernike条纹多项式中的重要系数项重新计算得到波前差δw2(x,y)；步骤s80：根据波前差δw2(x,y)和折射率变化量δn优化镜片的面型。
[0037]
检测光路用于检测检测镜片10的波前。测试激光发生波长为λ的光波照射检测坐标为(x,y)的位置，以便于得到检测坐标为(x,y)位置的波前差δw1(x,y)，并根据厚度t(x,y)、测试激光波长λ、波前差δw1(x,y)构建关于折射率变化量δn的关系式。采用zernike条纹多项式对波前差进行拟合并提取zernike条纹多项式中的重要系数项重新计算得到波前差δw2(x,y)，并根据波前差δw2(x,y)和折射率变化量δn的关系来对镜片的面型进行优化。重要系数项重新计算得到波前差δw2(x,y)是用近似结果取代37项zernike条纹多项式拟合结果，目的是提升结果的稳定性，抑制高频误差对结果的影响。检测镜片10的全口径应用以上公式，即可得到全口径的折射率变化，进而可以对全口径的面型进行调整，以提高镜片优化效果。
[0038]
在本技术中，在步骤s10中包括：获取干涉仪20；获取干涉仪的标准镜30，将干涉仪的标准镜30放至在干涉仪20的出光侧；获取检测镜片10，将检测镜片10设置在干涉仪的标准镜30的出光侧；获取反射式补偿器40，将反射式补偿器40放至在检测镜片10的出光侧，以
将检测镜片10射出的光线原路返回至检测镜片10。此光路结构简单，由于本技术中采用波前差δw1(x,y)来确定折射率变化量δn，故对反射式补偿器40的要求较低，无需采用高精度反射式补偿器40，大大增加了检测光路设计的自由度。
[0039]
在一个可选实施例中，步骤s50包括：确定检测镜片10的折射率变化前的检测位置的波前w1(x,y)；确定检测镜片10的折射率变化后的检测位置的波前w2(x,y)；根据波前w1(x,y)和波前w2(x,y)确定波前差δw1(x,y)。在本技术中，在选取检测镜片10后先对检测镜片10进行波前测试得到w1(x,y)，采用烘烤、冷冻、镀膜、增加湿度中的至少一种方式对检测镜片10进行处理，导致检测镜片10的折射率发生变化，而后对折射率发生变化后的检测镜片10进行波前测试得到w2(x,y)。
[0040]
具体的，在根据波前w1(x,y)和波前w2(x,y)确定波前差δw1(x,y)的过程中，波前差δw1(x,y)、波前w1(x,y)和波前w2(x,y)满足：δw1(x,y)＝w1(x,y)-w2(x,y)。采用波前差δw1(x,y)来构建与折射率变化量δn的关系式可以减小对反射式补偿器的要求，使本技术中的检测光路更加简单、可操作性更强，同时误差更小。
[0041]
具体的，在确定检测镜片10的折射率变化前的检测位置的波前w1(x,y)的过程中包括：测试激光穿过检测光路照射折射率变化前的检测镜片10的检测位置；检测光路的反射式补偿器40反射测试激光并得到波前w1(x,y)。
[0042]
具体的，在确定检测镜片10的折射率变化后的检测位置的波前w2(x,y)的过程中包括：测试激光穿过检测光路照射折射率变化后的检测镜片10的检测位置；检测光路的反射式补偿器40反射测试激光并得到波前w2(x,y)。在折射率变化前后的波前均采用同一波长的光进行测试，以消除波长引起的误差，有效增加了检测的准确性。
[0043]
在一个可选实施例中，在步骤s60中还包括：根据公式(1)确定折射率变化量δn；
[0044][0045]
在厚度不变的前提下，波前差的变化全部由折射率变化引起，故折射率变化量δn可由公式(1)计算得到。
[0046]
进一步地，在步骤s70中还包括：根据公式(2)确定波前差δw2(x,y)，
[0047][0048]
通过公式(2)提取zernike条纹多项式中的主要系数项，重新计算得到波前差δw2(x,y)，而波前差δw2(x,y)作为波前差δw1(x,y)的近似结果。
[0049]
在一个可选地实施例中，在步骤s70中，重要系数项包括球差、彗差、像散、旋转对称项、非旋转对称项中的至少一种。在提取zernike条纹多项式中的主要系数的过程中，根据不同的应用场景，可以提取不同的系数项，例如单独提取球差、彗差、像散、旋转对称项、非旋转对称项等。
[0050]
在一个可选实施例中，提取出zernike条纹多项式中的主要系数项的过程中，单独提取旋转对称项中系数最大的前三项。
[0051]
用近似结果取代37项zernike条纹多项式拟合结果的目的在于提升结果的稳定性，抑制高频误差对结果的影响。
[0052]
在本技术中，在步骤s80中包括：根据公式(2)优化检测镜片10的厚度，进而优化检测镜片10的面型。在得到波前差δw2(x,y)后，在后续镜片优化的过程中无需再对检测镜片10进行检测，只需根据公式(2)对检测镜片10的面型进行优化即可。
[0053]
本技术利用激光干涉测量检测镜片10的波前，相较于常用的夏克-哈特曼技术，本技术具有更高的空间分辨率，抗干扰的能力更强，具有更大的有效口径，适用范围更广。同时本技术采用反射式补偿器40实现零位补偿，极大地降低对干涉仪检测动态防伪的要求，光线两次通过检测镜片10，将波前误差检测的灵敏度提高了一倍，理论上可达到千分之一波长像差的探测精度，对应于可探测的折射率变化约为百万分之一，极大的提高了检测精度。
[0054]
反射式补偿器40再设计阶段可加入装调基准，用于辅助精确装配和调整反射式补偿器40与干涉仪20的位置。
[0055]
此外，本技术利用zernike条纹多项式对波前差进行拟合，可以非常便利的提取不同的像差项的系数，用近似结果取代37项zernike条纹多项式拟合结果，可以显著提升结果的稳定性，抑制高频误差对结果的影响。同时本发明结构简单，制作和装调容易，最重要的是具有极高的精度，具有广泛的应用前景。
[0056]
下面以温度改变为例，进行详细的阐述。
[0057]
温度变化前波前如图2所示，波前pv为0.1275λ，温度变化后波前如图3所示，波前pv为0.1889λ，零位补偿下，得到的面形误差都很小。
[0058]
需要说明的是，pv是整个面形的偏差的峰谷值，也就是w1(x,y)中的最大值与最小值之差。
[0059]
对原始数据做差值，得到如图4所示的波前差值，波前pv为0.1597λ，对差值进行zernike条纹多项式拟合，其拟合结果如图5所示，拟合得到的波前pv为0.1591λ，误差为0.4％。
[0060]
而对于图4中的pv则是先得到δw1(x,y)＝w1(x,y)-w2(x,y)，然后再得到δw1(x,y)中的峰谷值pv，而不是简单的将两个pv值做差。
[0061]
在本实施例中，取zernike条纹多项式系数最大的前三项z8，z6，z11，计算得到的近似波前差如图6所示。
[0062]
镜片的厚度分布t(x,y)如图7中的实线所示，而测试测试激光波长λ为632.8nm，利用公式可以得到镜片全口径的折射率变化。
[0063]
图8给出了镜片子午和弧矢方向的折射率变化曲线，圆圈为子午和弧矢方向的平均折射率变化曲线，利用多项式y＝a1x0+a2x2+a3x4+a4x6+a5x8+a6x
10
+a7x
12
+a8x
14
+a9x
16
对数据进行拟合，得到的结构为图8中黑色实线。利用得到的折射率变化的解析表达式，可以用于指导光学元件设计迭代和加工的性能收敛。
[0064]
显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0065]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
[0066]
需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
[0067]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种镜片面型的优化方法，其特征在于，包括：步骤s10：搭建检测光路；步骤s20：确定检测镜片(10)的检测位置的检测坐标为(x,y)；步骤s30：确定测试激光波长λ；步骤s40：确定所述检测位置的厚度t(x,y)；步骤s50：采用所述检测光路确定所述检测位置的折射率变化前后的波前差δw1(x,y)；步骤s60：根据所述检测位置的厚度t(x,y)、所述测试激光波长λ和所述检测位置的折射率变化前后的波前差δw1(x,y)确定所述检测位置的折射率变化量δn；步骤s70：采用zernike条纹多项式对波前差进行拟合，根据折射率变化量δn、所述厚度t(x,y)和所述测试激光波长λ，提取所述zernike条纹多项式中的重要系数项重新计算得到波前差δw2(x,y)；步骤s80：根据所述波前差δw2(x,y)和所述折射率变化量δn优化所述镜片的面型。2.根据权利要求1所述的镜片面型的优化方法，其特征在于，在所述步骤s10中包括：获取干涉仪(20)；获取干涉仪的标准镜(30)，将所述干涉仪的标准镜(30)放至在所述干涉仪(20)的出光侧；获取检测镜片(10)，将所述检测镜片(10)设置在所述干涉仪的标准镜(30)的出光侧；获取反射式补偿器(40)，将所述反射式补偿器(40)放至在所述检测镜片(10)的出光侧，以将所述检测镜片(10)射出的光线原路返回至所述检测镜片(10)。3.根据权利要求1所述的镜片面型的优化方法，其特征在于，所述步骤s50包括：确定所述检测镜片(10)的折射率变化前的所述检测位置的波前w1(x,y)；确定所述检测镜片(10)的折射率变化后的所述检测位置的波前w2(x,y)；根据所述波前w1(x,y)和所述波前w2(x,y)确定所述波前差δw1(x,y)。4.根据权利要求3所述的镜片面型的优化方法，其特征在于，在所述根据所述波前w1(x,y)和所述波前w2(x,y)确定所述波前差δw1(x,y)的过程中，所述波前差δw1(x,y)、所述波前w1(x,y)和所述波前w2(x,y)满足：δw1(x,y)＝w1(x,y)-w2(x,y)。5.根据权利要求3所述的镜片面型的优化方法，其特征在于，在确定所述检测镜片(10)的折射率变化前的所述检测位置的波前w1(x,y)的过程中包括：测试激光穿过所述检测光路照射折射率变化前的所述检测镜片(10)的所述检测位置；所述检测光路的反射式补偿器(40)反射所述测试激光并得到所述波前w1(x,y)。6.根据权利要求3所述的镜片面型的优化方法，其特征在于，在确定所述检测镜片(10)的折射率变化后的所述检测位置的波前w2(x,y)的过程中包括：测试激光穿过所述检测光路照射折射率变化后的所述检测镜片(10)的所述检测位置；所述检测光路的反射式补偿器(40)反射所述测试激光并得到所述波前w2(x,y)。7.根据权利要求1至6中任一项所述的镜片面型的优化方法，其特征在于，在所述步骤s60中还包括：根据公式(1)确定所述折射率变化量δn；
8.根据权利要求7所述的镜片面型的优化方法，其特征在于，在所述步骤s70中还包括：根据公式(2)确定所述波前差δw2(x,y)9.根据权利要求8所述的镜片面型的优化方法，其特征在于，在所述步骤s70中，所述重要系数项包括球差、彗差、像散、旋转对称项、非旋转对称项中的至少一种。10.根据权利要求8所述的镜片面型的优化方法，其特征在于，在所述步骤s80中包括：根据所述公式(2)优化所述检测镜片(10)的厚度，进而优化所述检测镜片(10)的面型。

技术总结
本发明提供了一种镜片面型的优化方法，包括：搭建检测光路；确定检测镜片的检测位置的检测坐标为(x,y)；确定测试激光波长λ；确定检测位置的厚度T(x,y)；采用检测光路确定检测位置的折射率变化前后的波前差ΔW1(x,y)；根据检测位置的厚度T(x,y)、测试激光波长λ和检测位置的折射率变化前后的波前差ΔW1(x,y)确定检测位置的折射率变化量Δn；采用Zernike条纹多项式对波前差进行拟合，根据折射率变化量Δn、厚度T(x,y)和测试激光波长λ，提取Zernike条纹多项式中的重要系数项重新计算得到波前差ΔW2(x,y)；根据波前差ΔW2(x,y)和折射率变化量Δn优化镜片的面型。本发明解决了现有技术中存在无法精确地标定折射率在有效口径内的变化导致镜片优化效果差的问题。的变化导致镜片优化效果差的问题。的变化导致镜片优化效果差的问题。


技术研发人员：刘泉 国成立 张健 赵烈烽
受保护的技术使用者：浙江舜宇光学有限公司
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/9/12