[发明专利]一种小视场光学系统面形误差相互补偿的自动优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种小视场光学系统面形误差相互补偿的自动优化方法，属于高精密光学系统加工和装配中的像差补偿的优化设计领域。

背景技术

由于光学加工工艺水平的限制，光学表面的面形误差(低频分量)是不可避免的光学加工误差之一，会导致系统的成像性能恶化，从而远远偏离了系统设计阶段的像质水平，尤其对于高精密的反射或折反式光学系统尤为显著。另外，面形误差主要引起非对称像差如像散等，不能像曲率半径误差、中心厚度误差以及楔形误差等其他光学加工误差，可以通过调整空气间隔或元件偏心等消除或减小其对光学系统的影响。因此，面形误差通常成为导致系统集成后性能下降的主要因素。

为了减小面形误差对光学系统成像性能影响，一方面在提高光学面形的抛光工艺和检测技术外，另一方面通过对已加工的各个光学表面的面形误差之间相互补偿，来尽可能减小其对光学系统性能的影响，也即将光学元件绕光轴旋转的方法来实现面形误差的相互补偿。

当前，面形误差相互补偿(匹配)的思想是一种经济且有效的降低其对光学系统性能影响的方法，已经应用(D.M.Williamson，“Compensator selection in the tolerancing of a microlithographic len，”Proc.SPIE1049，178-186(1989)；T.Matsuyama，I.Tanaka et al.，“Improving lens performance through the most recent lens，”Proc.SPIE5040，801-810(2003).)到超精密光刻物镜的装配中。但是，当前的面形误差补偿方法通常是通过手动调整光学元件，同时实时监测系统波像差，随机地寻找到一个可以接受的装配性能。显然，这种手动调节方法具有较大的偶然性和随机性，且装配时间长，效率低。

发明内容

本发明的目的是针对小视场光学系统提供一种面形误差相互补偿的自动优化方法，利用该方法可大大提高装配效率，节省装配时间。

实现本发明的技术方案如下：

一种小视场光学系统面形误差相互补偿的自动优化方法，具体步骤为：

步骤101、获取小视场光学系统轴上视场点下，对应各光学表面通光口径内的面形误差Δd和各光学元件材料的折射率n；

步骤102、建立三种类型光学表面的面形误差与光学系统波像差的解析关系式，根据所述解析关系式计算出轴上视场点对应每个光学表面的面形误差Δd所引起的波像差W_S；

步骤103、基于各光学元件的光学表面组成及光路经过的次数，根据所述波像差W_S计算各光学元件面形误差对系统波像差的影响波面W_S；

步骤104、将影响波面W_E最大的光学元件定义为固定元件，依次旋转除固定元件以外的光学元件一周，将当前旋转的光学元件和固定元件的影响波面叠加后均方根最小时所对应的旋转角度确定为最佳旋转角度，利用各光学元件的最佳旋转角度对光学系统进行装配，实现小视场光学系统面形误差相互补偿。

进一步地，本发明在执行完步骤104后还进一步调整部分光学元件之间的空气间隔，以消除面形误差带来的离焦和球差，最终获得系统的最佳装配效果。

进一步地，本发明步骤104的具体过程为：

将波像差影响最大的光学元件定义为固定元件A，将其余光学元件依次定义为光学元件B_i，i=1，2…n，n为其余光学元件的总数；

步骤201、设定旋转角度步长step和计数器t＝1；

步骤202、计算初始误差评价函数

Fθ0=RMS[WBi(θ0)+WA]]]>