非球面光学元件的夏克-哈特曼检测方法(2)
4.1 Zemax中自定义面形 13
4.2 Zemax中通过Zernike面形引入像差 13
4.3 Zemax中的Physical Optics Propagation分析 13
4.4 光斑图像获取 15
4.5 Zemax中检测不同非球面面形偏差的模拟仿真 16
结论 24
致谢 25
参考文献26
1 绪论
1.1 课题研究目的及意义
在传统的光学系统中，常采用球面元件来矫正像差从而实现光学系统的设计要求，但是使用球面元件依然存在一些不足之处。相比较来说，在光学系统中使用非球面光学元件更有优势，主要体现为不仅可以提高系统矫正像差的能力，还可以降低光学系统的复杂性并减小其尺寸[1][2]。所以，非球面光学元件被大量地应用在各个领域当中。
非球面光学元件的加工和检测技术要比球面光学元件复杂很多。对于高精度要求的非球面加工，需要有更高精度的检测技术来保证，在非球面光学元件不同的加工阶段选择适当的检测技术是高效完成非球面制造的关键。现在来说，寻找一种简便、快捷的非球面面形检测方法依然是非常有必要的，也是现在研究的热点方向。
1.2 常用的非球面镜检测方法
目前，有很多针对于非球面光学元件面形检测的方法，按照其检测原理的不相同，可以分为以下几种：几何光线检测法（主要包括刀口阴影法、哈特曼常数法）、干涉法（主要包括零位检测、非零位检测）和直接面形轮廓法（主要包括扫描式轮廓测量法）等[3]。
1.2.1 刀口阴影法
刀口阴影法，是傅科在1858年提出的一种面形检测方法，又叫“傅科刀口法”。所需设备简单、不易划伤镜面等优点使得它的应用非常广泛。同时也存在不易检验凸面、定量困难、主观性强等缺点[4]。其检测原理图如图1.1，把点光源置于被检球面镜曲率中心一侧，然后将刀口放在像点附近观察。若被检球面镜是理想的，在焦点以内放刀口则阴影图明显的分为明区和暗区，且明区和暗区是均匀分布的；若被检球面镜存在缺陷，则会看到明暗不均匀的区域，根据不同明暗分布即可判断出光线的波前像差，进而可以得出被检球面镜缺陷的位置和大小。
图1.1 刀口阴影法检测原理示意图
1.2.2 哈特曼法
1900年，德国的天体物理学家Johannes Hartmann提出，在被检面静前面放一个有小孔阵列的不透明挡板对光束进行分割，然后再被检面焦距前后对返回的光束阵列进行两次采集，然后通过计算光束中心坐标关系即可求得被检镜的面型误差。其检测原理如图1.2。这种方法常用于检测大口径的非球面反射镜。其缺点是质心的计算精度不高，且所有小孔的面积占整个哈特曼板的面积很少，光能利用率低，并且对于大口径的非球面光学元件，需要制作更大的哈特曼板的，困难度也随之提升[4]。
图1.2 哈特曼法检测原理示意图
1.2.3 朗奇法
朗奇法，从几何光学角度来看，其原理是，把产生的条纹看作是光栅带的阴影；从物理光学角度来看，是把条纹组合看作光栅的衍射和干涉形成的条纹[5]。其检测原理如图1.3。这种方法有几个优点：可以使用比较小型的仪器来检测大口径的光学元件，尤其是在对大口径的凹面镜检测中优势非常明显。然而，其缺点在于通过朗奇光栅每个狭缝的光都会与通过其余狭缝的光产生干涉，使得检测精度变低，故常用于粗磨和精磨中的面型检测。