CN104121867B - 基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法 - Google Patents

Abstract

基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法，涉及光学测量领域。本发明利用数字相移干涉仪提供光源、成像系统和干涉图分析软件，引入液晶空间光调制器作为计算全息的载体，通过计算全息干涉法，实现非球面反射镜的在线检测。测试光路中引入零位补偿透镜补偿非球面镜的球差，而残余波像差则通过ZEMAX光线追迹得到，通过波像差的Zernike系数和Zernike表达式，获得其数学模型，通过计算全息编码，将其制作成计算全息图加载到液晶空间光调制器上，经过调制形成参考光，并与测试光干涉。该方法利用数字相移干涉仪强大的干涉图分析功能和液晶空间光调制器实时显示计算全息图的功能，能够实时地进行非球面镜的在线检测。

Description

基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法

技术领域

本发明涉及光学测量领域。

背景技术

非球面光学元件由于具有可消除各种像差,减少光能损失,获得高品质的图像等良好的光学特性，被广泛应用到天文、航空、航天、军事、工业、医疗等领域中。非球面镜的大量使用促使非球面光学元件的加工需求飞速增长，但是非球面检测技术的水平却是制约着非球面镜广泛应用的关键因素，因此非球面检测技术的研究已经成为现代光学测量领域的热点问题。目前非球面检测技术中计算全息干涉法以其测量精度高、灵敏度高的优势成为非球面检测的主要途径。

发明专利CN 102519392A《一种大口径凸非球面的全孔径检测方法》提出了利用透镜凹面将中心和边缘分别刻蚀曲面全息图进行非球面测量的方法，这种方法不需要高精度的照明物镜还能加大全息图的最小特征尺寸；2009年A.G.Poleshchuk等人在OPTICSEXPRESS上发表《Combined computer-generated hologram for testing steep asphericsurfaces》，提出将双重计算全息图刻蚀在光学全息片上进行非球面检测，由相位全息图产生测试波前，振幅全息图产生参考波前，这种组合全息很大程度上消除了基板的波前畸变，提高了测试精度。但是上述提到的方法在检测非球面时都需要针对待检非球面镜制作特定的全息片，加工周期长，成本高，灵活性差。

发明专利CN 102374851A《实时部分零位补偿光学零位非球面面型检测方法》和实用新型CN 2679645Y《用液晶显示器件的计算全息非球面干涉测量仪》提出了用液晶器件作为计算全息图的载体，通过与零位补偿镜相结合对非球面波前进行零位补偿，以扩大非球面测量的动态范围。其存在的问题是：检测装置中光学元件较多，不但损失光能较大，而且增加了调校光路的难度；透射式液晶器件衍射效率和分辨率较低；并且上述测量光路需要自行开发干涉图处理软件来分析测量结果。

发明内容

本发明是为了解决光学全息片加工周期长、加工成本高、以及无法实现非球面加工过程的在线检测的问题；单纯采用数字相移干涉仪只能测量浅度非球面的问题；以及现有的非球面检测装置中光学元件较多，光路调校难，光能衰减大，分析干涉图难 等问题，提出基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法。

一种基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法，它由以下步骤实现：

数字相移干涉仪1发出的激光经标准平面参考镜2透射和光阑3限束后，入射至分光镜4，经所述分光镜4分束成透射光和反射光，所述透射光经扩束准直镜5扩束和零位补偿透镜6聚焦后入射至待检非球面镜7，并经待检非球面镜7反射形成测试光，所述测试光经零位补偿透镜6和扩束准直镜5，返回至分光镜4；

所述反射光经偏振片8入射至液晶空间光调制器9，经液晶空间光调制器9调制获得参考光；所述参考光经偏振片8返回至分光镜4。所述测试光与参考光在分光镜4叠加发生干涉，形成干涉光，所述干涉光经光阑3和标准平面参考镜2，返回至数字相移干涉仪1的成像系统。

所述扩束准直镜5和零位补偿透镜6的口径和焦距需要利用ZEMAX软件对测试臂光路进行光线追迹并优化得到；

扩束准直镜5与待检非球面镜7之间的光路为测试臂光路，采用ZEMAX软件对测试臂光路进行光线追迹并优化，使得测试臂光路产生的波像差的峰谷值能够满足液晶空间光调制器9的有效波前调制范围，确定测试臂光路波像差的Zernike系数及其Zernike表达式；

Zernike表达式通式为：

$F(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})=\underset{k=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{a}_k{Z}_k(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})$

式中：a_k为各项Zernike系数，Z_k为各项Zernike表达式，k为多项式的序数(k＝1,2,3,...)，ρ和θ分别为极坐标下的极径和极角。

根据ZEMAX光线追迹和优化结果，确定扩束准直镜5和零位补偿透镜6的口径和焦距。

液晶空间光调制器9采用反射式纯相位液晶空间光调制器实现。

所述液晶空间光调制器9产生参考光的方法为：将ZEMAX光线追迹和优化所获得的波像差展开成Zernike多项式，并归一化到单位圆上，通过计算全息编码将波像差制作成计算全息图；将计算全息图加载到液晶空间光调制器9上，经所述分光镜4分束得到的反射光经过偏振片8入射到液晶空间光调制器9，经液晶空间光调制器9调制后变成参考光。

调节标准平面参考镜2，使所述标准平面参考镜2沿测量光路光轴的垂直方向倾斜2度至3度，避免其反射光与外部反射回数字相移干涉仪1的干涉光再次干涉。

通过调节光阑3，使数字相移干涉仪1出射光源的孔径与液晶空间光调制器9的工作孔径相匹配。

通过调节偏振片8的透光轴，使得液晶空间光调制器9工作在纯相位调制模式。

通过调节零位补偿透镜6，通过调节零位补偿透镜6，使其焦点与待检非球面镜7的顶点曲率中心重合。

本发明的有益效果：1、将数字相移干涉仪与液晶空间光调制器相结合，克服了单纯采用数字相移干涉仪只能测量浅度非球面的问题；

2、采用反射式纯相位液晶空间光调制器，其像元尺寸小、分辨率高、衍射效率高，用该器件作为记录和显示计算全息的载体，能够实时显示与待检非球面镜相关的波像差；

3、利用零位补偿透镜辅助测量，能够最大限度降低计算全息图的空间带宽积，有助于解决液晶空间光调制器由于较小的工作孔径和有限的空间分辨率对待检非球面镜曲率的限制；

4、直接利用数字相移干涉仪的光源、标准平面参考镜和成像系统，减少了测试光路光学元件数量，简化了结构，降低了装调误差。直接利用数字相移干涉仪强大的干涉图处理软件，无需购买或自行开发干涉图分析软件，降低了测量结果分析的难度，提高了测量精度。

附图说明

图1是一种基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测装置的结构示意图；

图2是ZEMAX追迹的测试臂光路示意图；

图3是ZEMAX追迹的测试光波像差三维波面仿真示意图；

图4是Zernike多项式拟合的测试光波像差三维仿真示意图；

图5是计算全息编码的波像差灰度图；

具体实施方式

具体实施方式一、基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法，它由以下步骤实现：

步骤一、从数字相移干涉仪1出射的光经标准平面参考镜2和光阑3，通过分光镜 4分成两路，其中一路透射光经过扩束准直镜5和零位补偿透镜6，入射到待检非球面镜7，被反射回来作为测试光；另一路反射光经过偏振片8入射到液晶空间光调制器9，被调制并反射回来光作为参考光。测试光与参考光相干涉，通过数字相移干涉仪1的成像系统产生干涉图；

步骤二、调节标准平面参考镜2，使其沿垂直于测试光路光轴方向倾斜2度～3度角，使外部反射回数字相移干涉仪1的干涉光无法与标准平面参考镜反射的光相干涉；

步骤三、利用ZEMAX软件对测试臂光路进行光线追迹并优化，使测试光路产生的波像差的峰谷值能够满足液晶空间光调制器9的波前调制范围，确定波像差的Zernike系数(取前37项)及其Zernike表达式；

步骤四、根据步骤三的优化结果，确定扩束准直镜5和零位补偿透镜6的口径和焦距，调节测试臂各光学元件满足光路共轴和测试要求；

步骤五、根据Zernike表达式：

$F(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})=\underset{k=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{a}_k{Z}_k(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})$

将测试光在分光镜4处的波像差表示成Zernike多项式，并归一化到单位圆上，通过计算全息编码将波像差制作成计算全息图，加载到液晶空间光调制器9，使其产生参考光；

步骤六、调节光阑3，使数字相移干涉仪1出射光源的孔径与液晶空间光调制器9的工作孔径相匹配；

步骤七、调节偏振片8的透光轴，使得液晶空间光调制器9工作在纯相位调制模式；

步骤八、调节零位补偿透镜6，使其焦点与待检非球面镜7的顶点曲率半径重合；

步骤九、参考光与测试光在分光镜4处干涉，经过数字相移干涉仪的成像系统，产生干涉图，通过数字相移干涉仪1的干涉图分析软件的分析，能够得到待检非球面镜的面型误差信息。

原理：如图1所示，数字相移干涉仪1提供光源，标准平面参考镜2倾斜2～3度，使外部反射回数字相移干涉仪1的干涉光无法与标准平面参考镜反射的光相干涉。调节光阑3，使数字相移干涉仪1出射光源的孔径与液晶空间光调制器9的工作孔径相匹配。分光镜4将数字相移干涉仪1发出的光源分成两路光，其中一路光经扩束准直镜5 后入射到零位补偿透镜6上，零位补偿透镜的像方焦点与待检非球面镜7的曲率中心重合，由非球面反射回的光作为测试光并携带非球面面型误差的信息；另一路光入射到液晶空间光调制器9上，经其调制变成参考光。

如图2所示，利用ZEMAX对测试臂光路进行光线追迹，求得理想非球面产生的测试光在分光镜处的波像差，如图3所示，同时还得到Zernike系数和对应的Zernike多项式。

Zernike多项式通式为：

$F(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})=\underset{k=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{a}_k{Z}_k(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})$

将Zernike多项式从极坐标转化成笛卡尔坐标形式。对该多项式在单位圆进行归一化处理，得到如图4所示的波像差三维图，其与ZEMAX追迹得到的如图3所示的波像差三维波面图是一致的。将波像差数学模型以2π为周期进行周期量化，通过计算全息编码，得到如图5所示的计算全息图。

将计算全息图加载到液晶空间光调制器9上，液晶空间光调制器9对分光镜4反射出的一路光进行调制，得到所需参考光。

测试光和参考光在分光镜4处干涉，干涉光返回到干涉仪的成像系统，得到干涉图，干涉图携带有非球面面型误差信息，应用数字相移干涉仪1的干涉图分析软件可方便的得到非球面的面型误差。

Claims (6)

1.基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法，其特征是：它由以下步骤实现：

数字相移干涉仪(1)发出的激光经标准平面参考镜(2)透射和光阑(3)限束后，入射至分光镜(4)，经所述分光镜(4)分束成透射光和反射光，所述透射光经扩束准直镜(5)扩束和零位补偿透镜(6)聚焦后入射至待检非球面镜(7)，并经待检非球面镜(7)反射形成测试光，所述测试光经零位补偿透镜(6)和扩束准直镜(5)，返回至分光镜(4)；

所述反射光经偏振片(8)入射至液晶空间光调制器(9)，经液晶空间光调制器(9)调制获得参考光；所述参考光经偏振片(8)返回至分光镜(4)；所述测试光与参考光在分光镜(4)叠加发生干涉，形成干涉光，所述干涉光经光阑(3)和标准平面参考镜(2)，返回至数字相移干涉仪(1)的成像系统。

2.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法，其特征在于所述扩束准直镜(5)和零位补偿透镜(6)的口径和焦距需要利用ZEMAX软件对测试臂光路进行光线追迹并优化得到；

扩束准直镜(5)与待检非球面镜(7)之间的光路为测试臂光路，采用ZEMAX软件对测试臂光路进行光线追迹并优化，使得测试臂光路产生的波像差的峰谷值能够满足液晶空间光调制器(9)的有效波前调制范围，确定测试臂光路波像差的Zernike系数及其Zernike表达式；

Zernike表达式通式为：

$F(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})=\underset{k=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{a}_k{Z}_k(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})$

式中：a_k为各项Zernike系数，Z_k为各项Zernike表达式，k为多项式的序数(k＝1,2,3,...)，ρ和θ分别为极坐标下的极径和极角；

根据ZEMAX光线追迹和优化结果，确定扩束准直镜(5)和零位补偿透镜(6)的口径和焦距。

3.根据权利要求2所述的基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法，其特征在于所述液晶空间光调制器(9)产生参考光的方法为：将ZEMAX光线追迹和优化所获得的波像差展开成Zernike多项式，并归一化到单位圆上，通过计算全息编码将波像差制作成计算全息图；将计算全息图加载到液晶空间光调制器(9)上，经所述分光镜(4)分束得到的反射光经过偏振片(8)入射到液晶空间光调制器(9)，经液晶空间光调制器(9)调制后变成参考光。

4.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法，其特征在于通过调节标准平面参考镜(2)，使所述标准平面参考镜(2)沿测量光路光轴的垂直方向倾斜2度至3度，避免其反射光与外部反射回数字相移干涉仪(1)的干涉光再次干涉。

5.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法，其特征在于通过调节零位补偿透镜(6)，使其焦点与待检非球面镜(7)的顶点曲率中心重合。

6.根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法，其特征在于液晶空间光调制器(9)采用反射式纯相位液晶空间光调制器实现。