CN102374851A

CN102374851A - 实时部分零位补偿光学非球面面型检测方法

Info

Publication number: CN102374851A
Application number: CN2011102829720A
Authority: CN
Inventors: 韩军; 郭荣礼; 路绍军; 段存丽; 郑婷
Original assignee: Xian Technological University
Current assignee: Xian Technological University
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2031-09-22
Also published as: CN102374851B

Abstract

本发明涉及光学非球面精密测量领域，特别涉及一种实时部分零位补偿光学非球面面型检测方法。现有技术零位测量的方法能够测量的动态范围只有几个波长，检测动态范围小。本发明中测量的动态范围由三部分确定，补偿透镜、LCSLM加载的计算全息相息图对应的相位函数y _CGH及残余相位函数y _RES。本发明通过部分零位补偿技术，采用加载计算全息图的LCSLM作为部分零位补偿元件，结合起补偿作用的会聚透镜和干涉条纹分析技术，大大提高了测量的动态范围，可以实现对大非球面度面型的检测。<sub/>

Description

实时部分零位补偿光学非球面面型检测方法

技术领域

本发明涉及光学非球面精密测量领域，特别涉及一种实时部分零位补偿光学非球面面型检测方法。

背景技术

非球面光学元件在改善光学系统的像质的同时，简化了系统的结构，因此在越来越多的系统中获得了应用。为了定量检测非球面面型结构，目前主要采用计算全息图（CGH）做为零位补偿元件的零位补偿干涉测量技术。为了精确获得面型信息，引入了移相干涉。然而，实现移相要么是利用Fizeau移相干涉仪作为测试装置的一部分，要么单独引入额外的相移装置，导致测试成本昂贵。另外，计算全息图需要利用离子束加工设备，制作在平面基底或曲面基底上，费时费力，并且，计算全息图作为零位元件只能检测特定的光学非球面，对于不同类型的非球面表面，需要加工不同的计算全息图。

液晶空间光调制器（LCSLM）作为一种波前变换元件，具有高分辨率、实时显示的特点，目前被广泛的应用于三维显示、自适应光学等领域。利用LCSLM作为计算全息图的再现介质用于零位测量，可以实现非球面的实时检测，目前常用的方法分两类：一种方法是通过LCSLM加载离轴计算全息图；另一种方法是通过LCSLM加载同轴相息图来实现。但是，这些零位测量的方法能够测量的动态范围只有几个波长，检测动态范围小。存在问题的主要原因有两点：一是目前LCSLM的分辨率（8-20mm）比光刻加工技术（0.1mm）要大的多；二是计算全息图为离轴结构时，载频分量的引入使得LCSLM的空间带宽积不能被充分利用。

发明内容

本发明要提供一种实时部分零位补偿光学非球面面型检测方法，以克服现有技术存在的检测动态范围小的缺点。

为了解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：一种实时部分零位补偿光学非球面面型检测方法，依次包括下述步骤：

1）从He-Ne激光器出射的光经扩束、准直后，作为照明光源，搭建标准的泰曼-格林干涉光路，一个光臂中的光经过标准平面镜反射后作为参考光，待检的非球面放置于另外一个光臂中，反射回的光作为物光；

2）根据待测非球面的特征参数：二次曲面常数K、顶点曲率半径R ₀、多项式系数A _n、非球面直径D，求出非球面的边缘矢高H，进而求出待测非球面的最佳匹配球面半径R；

3）在放置待检非球面的光臂中，利用会聚透镜将平面波转换为标准球面波，照明待检非球面；

4）调整待检非球面的位置，使得其最佳匹配球面的球心与标准球面波球心重合，补偿掉待检非球面的大部分曲率；

5）将LCSLM放置于与待测非球面顶点距离为d（d<R）处，使LCSLM的有效像元面积（以最短边长作为基准）略大于照明光斑尺寸；

6）利用ZEMAX软件或常规的光线追踪方法进行计算，假设把计算全息图放置在与待测非球面顶点距离为d处，计算实现零位补偿干涉时，同轴计算全息图需要补偿的相位函数y，并把该相位函数分为两部分：y=y _CGH+y _RES，其中y _RES是残余的相位函数，y _CGH是实际加载到LCSLM上的同轴全息图的相位函数，具有类似透镜的位相分布

Figure 2011102829720100002DEST_PATH_IMAGE002

，k是波矢，f是对应的透镜焦距，x、y是LCSLM面上的坐标，y _CGH的最大值对应10个波长以下；

7）当LCSLM的位相调制范围达到2p时：依次把相位函数y_i=y _CGH +(i-1)p/4,i=1,2,3,4, 对2p取模，分别得到对应的计算全息相息图mod(y_i )，依次把相息图加载到LCSLM上，从待测非球面返回的光波经过相息图后，与平面参考光波发生干涉，CCD相机依次记录下四幅相移干涉图I _i；

当LCSLM的位相调制范围小于2p时：依次把相位函数y_i=y _CGH +(i-1)p/4,i=1,2,3,4, 对2p取模，然后进行二值量化，分别得到对应的计算全息图；依次把全息图加载到LCSLM上，取全息图的+1级衍射光波作为照明光波，从待测非球面返回的光波经过全息图后取+1级衍射光，与平面参考光波发生干涉，CCD相机依次记录下四幅相移干涉图I _i；

8）利用相移算法求出从待测非球面表面返回的包裹相位，经过相位解包裹后，得到最终的相位分布y _FINAL=y _ERR+y _RES，通过减去残余相位分布y _RES，即得到非球面面型误差y _ERR。

上述步骤7）中计算全息图二值量化时，通过调整占宽比和位相深度，使+1级衍射光的效率最高。

上述步骤7）八中涉及到的相移原理及算法亦可采用2）步、3）步或5）步以及其他相移算法。

本发明提供一种利用LCSLM同时作为部分零位补偿元件和相移元件的非球面光学元件面型检测方法，实现对大球面度的光学元件面型实时检测。与现有技术相比，本发明的优点是：

1. 提高了非球面检测的动态范围：通过部分零位补偿技术，采用加载计算全息图的LCSLM作为部分零位补偿元件，结合起补偿作用的会聚透镜和干涉条纹分析技术，大大提高了测量的动态范围，可以实现对大非球面度面型的检测。

本发明中测量的动态范围由三部分确定，补偿透镜、LCSLM加载的计算全息相息图对应的相位函数y _CGH及残余相位函数y _RES。y _RES由相移的干涉图通过相位解包裹得到，干涉条纹的周期一般大于2像素，对于目前常用的1024*768分辨率的CCD，干涉图对应50个以下的干涉条纹的时候，测量精度可以达到0.01个波长，在本结构中，2个干涉条纹对应一个波长，即残余相位函数y _RES对应的提高的测量动态范围为25个波长。

2. 方法简单，检测准确：该方法通过LCSLM依次加载多幅不同的计算全息图的方式实现了相移干涉，本发明不需要引入额外的相移装置，有相移结构简单、相移精度高的优点，再利用成熟的相移算法和干涉条纹分析技术就可以实现高精度检测。

附图说明

图1是实现本发明实时部分零位补偿光学非球面面型检测方法的结构装置示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地说明。

如图1所示，实现本发明的结构装置为泰曼-格林干涉装置。氦氖激光器1发出波长为633nm的线偏振光，半波片2用以改变线偏振光的振动方向，激光束经过扩束镜3和准直镜5后变为标准平行光，针孔滤波器4用于消除杂散光，该标准平面波被半透半反的消偏振直角分光棱镜6分成互相垂直的两路光：反射光波照射到标准平面反射镜8上并被反射，作为参考光，透射光经过补偿镜9形成标准球面波，该标准球面波通过加载有补偿全息图的液晶空间光调制器11后，入射到待测非球面12，经待测非球面12反射后，沿原路返回作为待测光。待测光与参考光被分光棱镜6合成一路发生干涉，通过CCD相机14记录下干涉图。由于待测光携带了待检非球面的面型信息，通过分析干涉条纹即可获得待检面的面型偏差。

半波片2和线偏振器7、13用于调整干涉条纹的对比度。光阑10放置于标准球面波焦点处，用以滤除空间光调制器的像素结构产生的衍射光和阻挡加载二值化计算全息图时产生的高级次衍射光波。液晶空间光调制器11受计算机15控制，具体结构包括液晶显示器件和前后两个偏振片，调整前后两个偏振片的夹角使其工作于位相调制模式，其位相调制特性事先测量好，存储在计算机15中。

实施例1：利用本发明进行旋转对称二次凹非球面面型检测的过程如下：

1）从He-Ne激光器出射的光经扩束、准直后，作为照明光源，搭建标准的泰曼-格林干涉光路，一个光臂中的光经过标准平面镜反射后作为参考光，待检的非球面放置于另外一个光臂中，反射回的光作为物光。

2）根据待测非球面的特征参数：二次曲面常数K、顶点曲率半径R ₀、多项式系数A _n、非球面直径D，求出非球面的边缘矢高H，

进而求出待测非球面的最佳匹配球面半径R，最佳匹配球面是指使待测非球面的非球面度最小的球面，一般是顶点与非球面顶点重合、边缘与非球面边缘重合的球面，进而求得最佳匹配球面的半径R为：

3）在放置待检非球面的光臂中，利用会聚透镜将平面波转换为标准球面波，照明待检非球面。

4）调整待检非球面的位置，使得其最佳匹配球面的球心与标准球面波球心重合，补偿掉待检非球面的大部分曲率。

5）液晶空间光调制器放置于与待测非球面顶点距离为d处，使液晶空间光调制器的有效像元面积（以最短边长作为基准）略大于照明光斑尺寸，充分利用其有效像素，确定空间光调制器的有效像素个数N _x×N _y，由于待检面的旋转对称性，一般N _x=N _y。

6）根据光路参数，利用光线追踪原理，利用ZEMAX追踪软件，计算把计算全息图放置在与待测非球面顶点距离为d，实现零位补偿干涉时，同轴计算全息图需要补偿的相位函数y。并把该相位函数分为两部分：y=y _CGH+y _RES，其中y _RES是残余的相位函数，保存到计算机软件中；y _CGH是实际加载到液晶空间光调制器上的同轴全息图的位相函数，具有类似透镜的函数形式，

Figure 2011102829720100002DEST_PATH_IMAGE008

。

当液晶空间光调制器的像素大小为

Figure 2011102829720100002DEST_PATH_IMAGE010

时，为了保证测量精度，y _CGH对应的最大值为10p,残余相位y _RES引起的干涉条纹周期最小约为10个CCD像素。

7）本实施例中液晶空间光调制器的位相调制范围达到2p：因此依次把相位函数y_i=y _CGH +(i-1)p/4,i=1,2,3,4, 对2p取模，分别得到对应的计算全息相息图mod(y_i )。然后根据存储在计算机上的位相调制特性曲线，把计算全息图相应的相位值转化成相应的灰度值，通过计算机加载到LCSLM上，完成全息图的实时再现。依次把相息图加载到液晶空间光调制器上，从待测非球面返回的光波经过相息图后，与平面参考光波发生干涉，CCD相机依次记录下四幅相移干涉图I _i；

在该步骤中，产生相移的原理如下：对于相位函数：y_i=y _CGH +(i-1)p/4, i=1,2,3,4, 分别生成计算全息图后，依次加载到液晶空间光调制器上，由于带测光先后两次通过LCSLM，待测光依次产生p/2的相位延迟。

8）CCD相机依次记录下四幅相移干涉图I _i，利用相移算法求出从待测非球面表面返回的包裹相位，经过相位解包裹后，得到最终的相位分布y _FINAL=y _ERR+y _RES，减去残余相位分布y _RES，即得到非球面面型误差y _ERR。

实施例2：利用本发明进行旋转对称二次凹非球面非球面面型检测的过程如下：

与实施例1的不同之处是步骤7），在步骤7）中，选用的液晶空间光调制器的位相调制范围小于2p：因此依次把相位函数y_i=y _CGH +(i-1)p/4,i=1,2,3,4, 对2p取模，然后进行二值量化，分别得到对应的计算全息图；再依次把全息图加载到液晶空间光调制器上，取全息图的+1级衍射光波作为照明光波，从待测非球面返回的光波经过全息图后取+1级衍射光，与平面参考光波发生干涉，CCD相机依次记录下四幅相移干涉图I _i。

本发明未详细阐述部分为本领域已知的成熟技术。

Claims

1.一种实时部分零位补偿光学非球面面型检测方法，其特征在于：依次包括下述步骤：

Figure 2011102829720100001DEST_PATH_IMAGE002

2.如权利要求1所述的一种实时部分零位补偿光学非球面面型检测方法，其特征在于：所述步骤7）中计算全息图二值量化时，通过调整占宽比和位相深度，使+1级衍射光的效率最高。

3.如权利要求1或2所述的一种实时部分零位补偿光学非球面面型检测方法，其特征在于：述步骤7）、8）中涉及到的相移原理及算法采用2）步、3）步、5）步或其他相移算法。