吕占伟 聂真威
摘要： 针对RC（里奇-克莱琴）光学系统主次镜都为双曲面且轴外视场像散较大的特点，需要对这类光学系统的加工和装调过程进行分析，以明确加工误差和测试失调量对光学系统的影响。利用干涉仪和光学设计软件Zemax，对这类光学系统的光学特性进行分析。通过测试波像差与Zemax模拟结果的比对，完成了对加工误差和失调量的准确判断。经过对加工误差和失调量的正确修改，使光学系统的性能达到设计要求。
关键词： 波前像差； Zemax； RC光学系统
中图分类号： TH 70； TH 74文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2014.05.009
引言
目前对于光学系统的波像差检测可以通过商用干涉仪来进行，但是如何利用波像差正确地分析光学系统的误差一直困扰着人们。元件的加工和装调误差往往引起光学系统波前像差的增加，如果能够对已经装好的光学系统准确地分析出误差来源，就可大大地加快装调进度，提高系统的成像质量。随着计算机技术的发展，出现了很多光学设计软件如Zemax，Code V，Light Tool等等。利用光学设计软件可以准确分析光学系统的光学特性，并可以模拟失调引入的波前误差。根据光学系统的光学特性和波前信息，可以正确判断加工误差和失调量。本文对主次镜均为双曲面的RC系统进行了分析，通过干涉仪检测可知光学系统波像差主要为像散。由于此RC系统的轴外视场具有较大的像散，不能准确得到误差来源，因此需要进一步的分析才能得到准确的结果。
1光学系统测试原理
RC光学系统的波像差采用自准法进行测量，测试原理如图1所示。调整光学系统与干涉仪之间位置，使干涉仪发出的球面波光束的球心与光学系统焦点重合。球面光束经过光学系统次镜和主镜反射后出射变成平面波，出射光束由一块标准平面镜反射后再次进入光学系统，携带有光学系统被测信息的反射光束进入干涉仪，与干涉仪的参考光束发生干涉，干涉图被干涉仪中的CCD记录，经过数据计算处理后可以获得光学系统的波像差。测试过程中所使用的干涉仪为数字式移相干涉仪。这种干涉仪通过改变被测波前与参考波前之间的位相关系，获得多幅干涉图进行数据处理，具有精度高的优点。光学系统主镜的测量采用补偿镜干涉测量方式，次镜采用Zygo干涉仪环形拼接检测方式。
2光学特性分析
设计的RC光学系统由双曲面特性的主次镜组成，视场为0°，0.5°，0.8°，图2展示了这种光学系统的像差特性，可见随着视场的增加波前像差中的像散会增加。此RC光学系统中心遮拦比为0.347，对于此类具有中心遮拦的环孔径波面的传统像差分析需要Zernike环多项式进行拟合，但是干涉仪软件使用Zernike圆多项式进行拟合分析，而且Zernike环多项式拟合系数与Seidel像差并没有被广泛的应用。论述，对于较小孔径遮拦比的环孔径波面，利用9项Zernike圆多项式进行Seidel像差分析能够接近Zernike环多项式的计算结果。并且Zernike圆多项式计算的彗差和像散像差最接近Zernike环多项式的计算结果，能够被利用进行工程应用。本文波前的Seidel像差是利用9项Zernike圆多项式拟合求取的。利用Zemax对RC系统不同视场的波前进行分析，使用9项Zernike圆多项式拟合，参考波长为λ=632.8 nm。0°视场下没有像散和彗差，0.5°视场下具有0.69λ的像散和0.22λ的彗差，0.8°视场下具有1.78λ的像散和0.36λ的彗差。随着视场的增加，波前像散明显增加。
3系统的误差分析
利用干涉仪对此RC光学系统进行波前检测，得到系统波像差如图3（a）所示：系统像散为16.418 1λ；彗差为1.848 4λ；球差为-2.053 9λ。可见像散是最大的像差，由于光学系统的轴外视场也有像散，因此必须正确地分析此像差的来源。利用Zemax软件进行轴外视场模拟[7-9]，当像散量达到16λ时，轴外视场达2.4°，波前图如图3（b）所示，波前已经被明显遮挡。同时干涉检测过程中像散一直居高不下，没有迅速衰减的现象，上述像散数据已是最小值，这可以证明检测中如此大的像散是由系统的加工或装调误差带来的，并不是轴外视场造成的。
对主镜和次镜分别进行面型检测，发现加工的两镜分别带有1.129λ和0.237λ的像散。利用Zemax将这些误差引入理想模型中，得到轴上波前有2.27λ的像散，但是并没有彗差的引入。只对理想模型的主镜加入1λ的像散，轴上波前的像散为1.99λ。只在次镜中加入1λ的像散，轴上波前的像散为1.33λ。可见，主镜面形的像散会对波前像散更为敏感。可以认为主镜中在装调有更大的像散，经分析装调的主镜中有8λ左右的像散。同时认为主次镜之间有3 mm左右的偏心引入了2λ彗差。将主镜装入镜筒进行波像差检测，发现了7λ左右的像散。经调整消除了像散，并将主次镜之间偏心进行适当的调节，光学系统的像差明显减小，达到了设计要求。
4结论
RC光学系统具有轴外视场像散大的特点，难以准确判断测试过程中像散的准确来源。本文利用Zemax对RC光学系统的误差做出了准确的分析，对误差进行了修正。最终装调好的RC光学系统的波像差达到了设计要求。同时，在工程中对于具有较小中心遮拦比环孔径波面，Seidel像差可以利用9项Zernike圆多项式拟合求取。这一结论在本文的实际应用中也得到了很好的验证。
参考文献：
[1]MELOZZI M，PEZZATI L.Interferometric testing of annular aperture specification and measurement of optical systems[J].SPIE，1992，1781：241-248.
[2]侯溪，伍凡，杨力，等.中心遮拦干涉图的圆泽尼克拟合对计算赛德尔像差的影响分析[J].光学学报，2006，26（1）：54-60.
[3]TATIAN B.Aberration balancing in rotationally symmetric lenses[J].Journal of the Optical Society of America，1974，64（8）：1083-1091.
[4]MAHAJAN N V.Zernike annular polynomials and optical aberrations of systems with annular pupils[J].Supplement to Applied Optics，1994，33（34）：8125-8132.
[5]DAI G M，MAHAJAN N V.Zernike annular polynomials and atmospheric turbulence[J].Journal of the Optical Society of America，2007，24（1）：139-155.
[6]MALACARA D.Optical shop testing[M].3rd ed.2007：525-539.
[7]何湘艳，陈莹花，廖文哲，等.基于Zemax的简单连续变倍显微物镜设计[J].光学仪器，2013，35（5）：41-45.
[8]胡肖彦，吕丽军.基于平面对称光学系统像差理论的折反射全景成像系统优化设计[J].光学仪器，2012，34（1）：45-49.
[9]李利，吴平，马鹤.大相对孔径折射式复消色差天文望远物镜设计[J].光学仪器，2012，34（3）：29-32.第36卷第5期2014年10月光学仪器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36， No.5October， 2014
摘要： 针对RC（里奇-克莱琴）光学系统主次镜都为双曲面且轴外视场像散较大的特点，需要对这类光学系统的加工和装调过程进行分析，以明确加工误差和测试失调量对光学系统的影响。利用干涉仪和光学设计软件Zemax，对这类光学系统的光学特性进行分析。通过测试波像差与Zemax模拟结果的比对，完成了对加工误差和失调量的准确判断。经过对加工误差和失调量的正确修改，使光学系统的性能达到设计要求。
关键词： 波前像差； Zemax； RC光学系统
中图分类号： TH 70； TH 74文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2014.05.009
引言
目前对于光学系统的波像差检测可以通过商用干涉仪来进行，但是如何利用波像差正确地分析光学系统的误差一直困扰着人们。元件的加工和装调误差往往引起光学系统波前像差的增加，如果能够对已经装好的光学系统准确地分析出误差来源，就可大大地加快装调进度，提高系统的成像质量。随着计算机技术的发展，出现了很多光学设计软件如Zemax，Code V，Light Tool等等。利用光学设计软件可以准确分析光学系统的光学特性，并可以模拟失调引入的波前误差。根据光学系统的光学特性和波前信息，可以正确判断加工误差和失调量。本文对主次镜均为双曲面的RC系统进行了分析，通过干涉仪检测可知光学系统波像差主要为像散。由于此RC系统的轴外视场具有较大的像散，不能准确得到误差来源，因此需要进一步的分析才能得到准确的结果。
1光学系统测试原理
RC光学系统的波像差采用自准法进行测量，测试原理如图1所示。调整光学系统与干涉仪之间位置，使干涉仪发出的球面波光束的球心与光学系统焦点重合。球面光束经过光学系统次镜和主镜反射后出射变成平面波，出射光束由一块标准平面镜反射后再次进入光学系统，携带有光学系统被测信息的反射光束进入干涉仪，与干涉仪的参考光束发生干涉，干涉图被干涉仪中的CCD记录，经过数据计算处理后可以获得光学系统的波像差。测试过程中所使用的干涉仪为数字式移相干涉仪。这种干涉仪通过改变被测波前与参考波前之间的位相关系，获得多幅干涉图进行数据处理，具有精度高的优点。光学系统主镜的测量采用补偿镜干涉测量方式，次镜采用Zygo干涉仪环形拼接检测方式。
2光学特性分析
设计的RC光学系统由双曲面特性的主次镜组成，视场为0°，0.5°，0.8°，图2展示了这种光学系统的像差特性，可见随着视场的增加波前像差中的像散会增加。此RC光学系统中心遮拦比为0.347，对于此类具有中心遮拦的环孔径波面的传统像差分析需要Zernike环多项式进行拟合，但是干涉仪软件使用Zernike圆多项式进行拟合分析，而且Zernike环多项式拟合系数与Seidel像差并没有被广泛的应用。论述，对于较小孔径遮拦比的环孔径波面，利用9项Zernike圆多项式进行Seidel像差分析能够接近Zernike环多项式的计算结果。并且Zernike圆多项式计算的彗差和像散像差最接近Zernike环多项式的计算结果，能够被利用进行工程应用。本文波前的Seidel像差是利用9项Zernike圆多项式拟合求取的。利用Zemax对RC系统不同视场的波前进行分析，使用9项Zernike圆多项式拟合，参考波长为λ=632.8 nm。0°视场下没有像散和彗差，0.5°视场下具有0.69λ的像散和0.22λ的彗差，0.8°视场下具有1.78λ的像散和0.36λ的彗差。随着视场的增加，波前像散明显增加。
3系统的误差分析
利用干涉仪对此RC光学系统进行波前检测，得到系统波像差如图3（a）所示：系统像散为16.418 1λ；彗差为1.848 4λ；球差为-2.053 9λ。可见像散是最大的像差，由于光学系统的轴外视场也有像散，因此必须正确地分析此像差的来源。利用Zemax软件进行轴外视场模拟[7-9]，当像散量达到16λ时，轴外视场达2.4°，波前图如图3（b）所示，波前已经被明显遮挡。同时干涉检测过程中像散一直居高不下，没有迅速衰减的现象，上述像散数据已是最小值，这可以证明检测中如此大的像散是由系统的加工或装调误差带来的，并不是轴外视场造成的。
对主镜和次镜分别进行面型检测，发现加工的两镜分别带有1.129λ和0.237λ的像散。利用Zemax将这些误差引入理想模型中，得到轴上波前有2.27λ的像散，但是并没有彗差的引入。只对理想模型的主镜加入1λ的像散，轴上波前的像散为1.99λ。只在次镜中加入1λ的像散，轴上波前的像散为1.33λ。可见，主镜面形的像散会对波前像散更为敏感。可以认为主镜中在装调有更大的像散，经分析装调的主镜中有8λ左右的像散。同时认为主次镜之间有3 mm左右的偏心引入了2λ彗差。将主镜装入镜筒进行波像差检测，发现了7λ左右的像散。经调整消除了像散，并将主次镜之间偏心进行适当的调节，光学系统的像差明显减小，达到了设计要求。
4结论
RC光学系统具有轴外视场像散大的特点，难以准确判断测试过程中像散的准确来源。本文利用Zemax对RC光学系统的误差做出了准确的分析，对误差进行了修正。最终装调好的RC光学系统的波像差达到了设计要求。同时，在工程中对于具有较小中心遮拦比环孔径波面，Seidel像差可以利用9项Zernike圆多项式拟合求取。这一结论在本文的实际应用中也得到了很好的验证。
参考文献：
[1]MELOZZI M，PEZZATI L.Interferometric testing of annular aperture specification and measurement of optical systems[J].SPIE，1992，1781：241-248.
[2]侯溪，伍凡，杨力，等.中心遮拦干涉图的圆泽尼克拟合对计算赛德尔像差的影响分析[J].光学学报，2006，26（1）：54-60.
[3]TATIAN B.Aberration balancing in rotationally symmetric lenses[J].Journal of the Optical Society of America，1974，64（8）：1083-1091.
[4]MAHAJAN N V.Zernike annular polynomials and optical aberrations of systems with annular pupils[J].Supplement to Applied Optics，1994，33（34）：8125-8132.
[5]DAI G M，MAHAJAN N V.Zernike annular polynomials and atmospheric turbulence[J].Journal of the Optical Society of America，2007，24（1）：139-155.
[6]MALACARA D.Optical shop testing[M].3rd ed.2007：525-539.
[7]何湘艳，陈莹花，廖文哲，等.基于Zemax的简单连续变倍显微物镜设计[J].光学仪器，2013，35（5）：41-45.
[8]胡肖彦，吕丽军.基于平面对称光学系统像差理论的折反射全景成像系统优化设计[J].光学仪器，2012，34（1）：45-49.
[9]李利，吴平，马鹤.大相对孔径折射式复消色差天文望远物镜设计[J].光学仪器，2012，34（3）：29-32.第36卷第5期2014年10月光学仪器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36， No.5October， 2014
摘要： 针对RC（里奇-克莱琴）光学系统主次镜都为双曲面且轴外视场像散较大的特点，需要对这类光学系统的加工和装调过程进行分析，以明确加工误差和测试失调量对光学系统的影响。利用干涉仪和光学设计软件Zemax，对这类光学系统的光学特性进行分析。通过测试波像差与Zemax模拟结果的比对，完成了对加工误差和失调量的准确判断。经过对加工误差和失调量的正确修改，使光学系统的性能达到设计要求。
关键词： 波前像差； Zemax； RC光学系统
中图分类号： TH 70； TH 74文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2014.05.009
引言
目前对于光学系统的波像差检测可以通过商用干涉仪来进行，但是如何利用波像差正确地分析光学系统的误差一直困扰着人们。元件的加工和装调误差往往引起光学系统波前像差的增加，如果能够对已经装好的光学系统准确地分析出误差来源，就可大大地加快装调进度，提高系统的成像质量。随着计算机技术的发展，出现了很多光学设计软件如Zemax，Code V，Light Tool等等。利用光学设计软件可以准确分析光学系统的光学特性，并可以模拟失调引入的波前误差。根据光学系统的光学特性和波前信息，可以正确判断加工误差和失调量。本文对主次镜均为双曲面的RC系统进行了分析，通过干涉仪检测可知光学系统波像差主要为像散。由于此RC系统的轴外视场具有较大的像散，不能准确得到误差来源，因此需要进一步的分析才能得到准确的结果。
1光学系统测试原理
RC光学系统的波像差采用自准法进行测量，测试原理如图1所示。调整光学系统与干涉仪之间位置，使干涉仪发出的球面波光束的球心与光学系统焦点重合。球面光束经过光学系统次镜和主镜反射后出射变成平面波，出射光束由一块标准平面镜反射后再次进入光学系统，携带有光学系统被测信息的反射光束进入干涉仪，与干涉仪的参考光束发生干涉，干涉图被干涉仪中的CCD记录，经过数据计算处理后可以获得光学系统的波像差。测试过程中所使用的干涉仪为数字式移相干涉仪。这种干涉仪通过改变被测波前与参考波前之间的位相关系，获得多幅干涉图进行数据处理，具有精度高的优点。光学系统主镜的测量采用补偿镜干涉测量方式，次镜采用Zygo干涉仪环形拼接检测方式。
2光学特性分析
设计的RC光学系统由双曲面特性的主次镜组成，视场为0°，0.5°，0.8°，图2展示了这种光学系统的像差特性，可见随着视场的增加波前像差中的像散会增加。此RC光学系统中心遮拦比为0.347，对于此类具有中心遮拦的环孔径波面的传统像差分析需要Zernike环多项式进行拟合，但是干涉仪软件使用Zernike圆多项式进行拟合分析，而且Zernike环多项式拟合系数与Seidel像差并没有被广泛的应用。论述，对于较小孔径遮拦比的环孔径波面，利用9项Zernike圆多项式进行Seidel像差分析能够接近Zernike环多项式的计算结果。并且Zernike圆多项式计算的彗差和像散像差最接近Zernike环多项式的计算结果，能够被利用进行工程应用。本文波前的Seidel像差是利用9项Zernike圆多项式拟合求取的。利用Zemax对RC系统不同视场的波前进行分析，使用9项Zernike圆多项式拟合，参考波长为λ=632.8 nm。0°视场下没有像散和彗差，0.5°视场下具有0.69λ的像散和0.22λ的彗差，0.8°视场下具有1.78λ的像散和0.36λ的彗差。随着视场的增加，波前像散明显增加。
3系统的误差分析
利用干涉仪对此RC光学系统进行波前检测，得到系统波像差如图3（a）所示：系统像散为16.418 1λ；彗差为1.848 4λ；球差为-2.053 9λ。可见像散是最大的像差，由于光学系统的轴外视场也有像散，因此必须正确地分析此像差的来源。利用Zemax软件进行轴外视场模拟[7-9]，当像散量达到16λ时，轴外视场达2.4°，波前图如图3（b）所示，波前已经被明显遮挡。同时干涉检测过程中像散一直居高不下，没有迅速衰减的现象，上述像散数据已是最小值，这可以证明检测中如此大的像散是由系统的加工或装调误差带来的，并不是轴外视场造成的。
对主镜和次镜分别进行面型检测，发现加工的两镜分别带有1.129λ和0.237λ的像散。利用Zemax将这些误差引入理想模型中，得到轴上波前有2.27λ的像散，但是并没有彗差的引入。只对理想模型的主镜加入1λ的像散，轴上波前的像散为1.99λ。只在次镜中加入1λ的像散，轴上波前的像散为1.33λ。可见，主镜面形的像散会对波前像散更为敏感。可以认为主镜中在装调有更大的像散，经分析装调的主镜中有8λ左右的像散。同时认为主次镜之间有3 mm左右的偏心引入了2λ彗差。将主镜装入镜筒进行波像差检测，发现了7λ左右的像散。经调整消除了像散，并将主次镜之间偏心进行适当的调节，光学系统的像差明显减小，达到了设计要求。
4结论
RC光学系统具有轴外视场像散大的特点，难以准确判断测试过程中像散的准确来源。本文利用Zemax对RC光学系统的误差做出了准确的分析，对误差进行了修正。最终装调好的RC光学系统的波像差达到了设计要求。同时，在工程中对于具有较小中心遮拦比环孔径波面，Seidel像差可以利用9项Zernike圆多项式拟合求取。这一结论在本文的实际应用中也得到了很好的验证。
参考文献：
[1]MELOZZI M，PEZZATI L.Interferometric testing of annular aperture specification and measurement of optical systems[J].SPIE，1992，1781：241-248.
[2]侯溪，伍凡，杨力，等.中心遮拦干涉图的圆泽尼克拟合对计算赛德尔像差的影响分析[J].光学学报，2006，26（1）：54-60.
[3]TATIAN B.Aberration balancing in rotationally symmetric lenses[J].Journal of the Optical Society of America，1974，64（8）：1083-1091.
[4]MAHAJAN N V.Zernike annular polynomials and optical aberrations of systems with annular pupils[J].Supplement to Applied Optics，1994，33（34）：8125-8132.
[5]DAI G M，MAHAJAN N V.Zernike annular polynomials and atmospheric turbulence[J].Journal of the Optical Society of America，2007，24（1）：139-155.
[6]MALACARA D.Optical shop testing[M].3rd ed.2007：525-539.
[7]何湘艳，陈莹花，廖文哲，等.基于Zemax的简单连续变倍显微物镜设计[J].光学仪器，2013，35（5）：41-45.
[8]胡肖彦，吕丽军.基于平面对称光学系统像差理论的折反射全景成像系统优化设计[J].光学仪器，2012，34（1）：45-49.
[9]李利，吴平，马鹤.大相对孔径折射式复消色差天文望远物镜设计[J].光学仪器，2012，34（3）：29-32.第36卷第5期2014年10月光学仪器OPTICAL INSTRUMENTSVol.36， No.5October， 2014
