CN106949853B - 基于液晶计算全息图的同步移相干涉测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于液晶CGH的同步移相干涉测量系统和方法，属于光学测量领域。基于液晶CGH的同步移相干涉测量系统包括正交偏振激光器、扩束系统、分光镜、参考镜、液晶CGH、待测非球面、偏振分光棱镜、面阵探测器。液晶CGH是由取向正交的液晶分子不同区域间隔排列产生的位相光栅，有两方面作用，其一是补偿被测面像差，完成零补偿干涉测量；其二是配合正交偏振激光完成π相位移相，结合偏振分光棱镜完成分光，实现空间同步移相干涉测量。本发明还公开用于所述的测量系统的一种基于液晶CGH的同步移相干涉测量方法。本发明利用液晶CGH同时完成补偿被测面像差和偏振移相的功能，进而实现精简空间同步移相干涉光路结构，具有系统简洁、抗干扰能力强、测量精度高的优点。

Description

基于液晶计算全息图的同步移相干涉测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于液晶计算全息图的同步移相干涉测量系统及方法，属于光学测量领域。

背景技术

光学元件和光学系统在天文观测、空间和地基空间目标探测与识别、激光大气传输和惯性约束聚变等国防科技领域，以及特种眼镜、照明系统、投影显示等民用领域得到广泛的应用。光学设计水平的提高、光学及机械表面加工技术的改进都促使光学系统的性能大幅提升，整体更新换代的现象并不少见。光学面形的高精度检测是光学元件制造和光学系统装调的基础和前提，不同领域光学系统的发展，对光学面形检测提出了多方面的严格要求，成为超精密制造加工技术进一步发展需要满足的先决条件。总结科技领域对光学面形检测需求，有如下突出特点：(1)球面、非球面乃至自由曲面，被测面形复杂；(2)大口径元件以及复杂环境下高精度测量需要提高系统抗振能力。

鉴于目前的加工技术和应用需求，高精度光学面形检测方法目前主要分成三大类：接触测量、半接触测量和干涉测量。其中干涉测量因其具有非接触、全场测量速度快、测量精度高等优点，得到广泛应用。目前针对复杂面形的干涉测量方法有很多，但主要方法可分为两类：非零干涉检测法和零干涉检测法。

非零干涉检测法主要包括子孔径拼接法、亚奈奎斯特采样法、倾斜波测量法、部分补偿法、双波长测量法、剪切干涉法等。它不要求通过部分补偿器后的光线完全补偿待测面的法线像差，可有部分像差余量。由于补偿之后系统允许存在较大的波像差，因此部分补偿法降低了对补偿器的要求，从而降低了补偿镜的设计、加工难度以及制造成本。但相应的，因为允许存在部分剩余波像差，导致非零干涉装调难度增大，同时回程误差的存在也会降低测量精度，使其较零干涉测量精度较低。

零干涉检测法的实质是借助补偿器作为辅助光学元件，把平面波或球面波前转换为与被测面的理论形状重合的波前，即通过补偿镜来补偿被测面的法线像差。零检测法的关键元件是补偿器。计算全息图(CGH)补偿器作为一种基于光刻技术的补偿器，正逐步取代传统零补偿镜的地位，成为最常用的零补偿元件。CGH所记录信息方式的区别可以分为两类：一种是振幅型全息，另一种是位相型全息。当前基于光刻技术的石英基底振幅型CGH虽加工精度较高，但受原理限制其衍射效率低；位相型CGH衍射效率较高，但工艺复杂，误差来源多，线宽和精度受到一定限制。

另一方面，为了解决环境振动对传统机械移相干涉测量精度的影响，还可采用空间同步移相和波长移相等。空间同步移相干涉测量技术基本原理是同一时刻于不同空间位置采集具有一定相位差的干涉图，因此光路结构一般具有三个或者三个以上的移相单元，在每一个单元里面引入不同的相移量。现有空间同步移相干涉方法为了实现空间分光、移相等功能，往往需要在原有干涉测量系统基础上增加更为复杂的光学系统，甚至设计制作专门的衍射光学元件，如果采用同一面阵探测器则需解决空间分辨率降低的问题，如果采用不同探测器，则存在探测器空间不一致的问题。同时由于系统结构复杂，增加了误差来源，降低了测量精度。

发明内容

为了解决现有基于CGH的零补偿抗振移相干涉法中，利用CGH实现复杂面形的相位补偿、利用光栅等衍射元件实现分光和同步移相所导致的结构复杂、精度或分辨率降低等问题，本发明公开的一种基于液晶CGH的同步移相干涉测量系统和方法要解决的技术问题是：利用液晶CGH同时完成补偿被测面像差和偏振移相的功能，进而实现精简空间同步移相干涉光路结构，具有系统简洁、抗干扰能力强、测量精度高的优点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种基于液晶CGH的同步移相干涉测量系统，包括正交偏振激光器、扩束系统、半透半反镜、参考镜、第一会聚透镜、液晶CGH、待测非球面、第二会聚透镜、准直透镜、偏振分光棱镜、第一面阵探测器、第二面阵探测器。

光路为：正交偏振激光器发出的正交偏振的线偏振激光经扩束系统扩束准直后经半透半反镜，一束入射参考镜返回半透半反镜成为参考光，另一束经第一会聚透镜、液晶CGH调制后成为测量光入射待测非球面，经待测非球面反射后携带待测非球面面形误差信息，回到半透半反镜与参考光发生干涉。参考光和测量光经半透半反镜后，经第二会聚透镜、准直透镜缩束后同时入射偏振分光棱镜，按照偏振态分为两束，分别由第一面阵探测器和第二面阵探测器同步探测记录干涉图。

所述的正交偏振激光器用于发出正交偏振的线偏振激光。所述的正交偏振激光器优选塞曼效应双频激光器、四频环形激光器或双折射正交偏振双频激光器。

所述的第一面阵探测器、第二面阵探测器优选CCD探测器。

所述的液晶CGH由光控取向技术制作。液晶CGH是由取向正交的液晶分子取向不同区域间隔排列产生的位相光栅。记取向分别为方向1和方向2，方向1与方向2正交。取向为方向1的液晶分子所在区域记为区域1，取向为方向2的液晶分子所在区域记为区域2，区域1和区域2交替排列，所述区域1和区域2交替排列数量根据待测非球面面形而定。正交偏振激光器用于发出偏振方向平行于方向1的入射线偏振光，通过区域1产生位相变化δ+π，通过区域2产生位相变化δ。正交偏振激光器同时用于发出偏振方向平行于方向2的入射线偏振光，通过区域1产生位相变化β-π，通过区域2产生位相变化β。此时，对于偏振方向平行于方向的入射线偏振光，通过液晶CGH后产生的相位变化分布为补偿被测面像差；对于偏振方向平行于方向的入射线偏振光，通过液晶CGH后产生的相位变化分布为实现偏振移相。

上述液晶CGH有两方面作用。其一是补偿被测面像差，完成零补偿干涉测量；其二是配合正交偏振激光器完成π相位移相，结合偏振分光棱镜完成分光，实现空间同步移相干涉测量。

与现有使用光刻液晶CGH完成补偿待测非球面像差，使用专门的移相、分光器件完成偏振移相的空间同步移相干涉系统相比，本发明公开的一种基于液晶CGH的同步移相干涉测量系统，仅使用液晶CGH同时完成补偿被测面像差和偏振移相的功能，进而能够精简光路结构，具有系统简洁的优点。

本发明还公开用于上述基于液晶CGH的同步移相干涉测量系统的一种基于液晶CGH的同步移相干涉测量方法，包括如下步骤：

步骤一：正交偏振激光器发出的正交偏振的线偏振激光经扩束系统扩束准直后经半透半反镜，一束入射参考镜返回半透半反镜成为参考光，另一束经第一会聚透镜、液晶CGH调制后成为测量光入射待测非球面，经待测非球面反射后携带待测非球面面形误差信息，回到半透半反镜与参考光发生干涉。参考光和测量光经半透半反镜后，经第二会聚透镜、准直透镜缩束后同时入射偏振分光棱镜，按照偏振态分为两束，分别由第一面阵探测器和第二面阵探测器同步探测记录干涉图。

步骤二：对步骤一记录的两幅干涉图进行图像处理得到被测面形误差分布。

所述的步骤二优选两步移相法实现。两步移相法优选如下具体方法：

步骤2.1：对步骤一记录的两幅干涉图进行图像配准。

步骤2.2：对步骤2.1配准后的两幅干涉图进行解相操作，进而进行相位解包裹操作，解得干涉图对应的相位分布。

步骤2.3：对步骤2.2得到的相位分布进行换算得到待测非球面面形误差分布。

本发明公开的一种基于液晶CGH的同步移相干涉测量方法，同步采集两幅相移干涉图，能够避免环境振动和空气抖动的影响，减少测量过程中的误差来源，即能够继承现有同步移相干涉测量方法抗干扰能力强、测量精度高的优点。

有益效果：

1、与现有使用光刻CGH完成补偿被测面像差，使用专门的移相、分光器件完成偏振移相的空间同步移相干涉系统相比，本发明公开的一种基于液晶CGH的同步移相干涉测量系统，仅使用液晶CGH同时完成补偿被测面像差和偏振移相的功能，进而能够精简光路结构，具有系统简洁的优点。

2、本发明公开的一种基于液晶CGH的同步移相干涉测量方法，同步采集两幅相移干涉图，能够避免环境振动和空气抖动的影响，减少测量过程中的误差来源，即能够继承现有同步移相干涉测量方法抗干扰能力强、测量精度高的优点。

附图说明

图1为一种基于液晶CGH的同步移相干涉测量系统光路图。

图2为液晶CGH的不同条纹区域示意图。

图3为一种基于液晶CGH的同步移相干涉测量方法流程图。

图4为同步采集到的干涉图1。

图5为同步采集到的干涉图2。

图6为对干涉图1和干涉图2利用两步移相法解得的被测面形分布。

其中，1-正交偏振激光器、2-扩束系统、3-半透半反镜、4-参考镜、5-第一会聚透镜、6-液晶CGH、7-待测非球面、8-第二会聚透镜、9-准直透镜、10-偏振分光棱镜、11-第一面阵探测器、12-第二面阵探测器、13-液晶涂覆层、14-基底、15-液晶分子。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本实例是本实施例在斐索干涉仪测量非球面面形误差中的应用。

本实施例公开的一种基于液晶CGH的同步移相干涉测量系统，如图1所示，包括正交偏振激光器1、扩束系统2、半透半反镜3、参考镜4、第一会聚透镜5、液晶CGH6、待测非球面7、第二会聚透镜8、准直透镜9、偏振分光棱镜10、第一CCD探测器11、第二CCD探测器12。所述的第一面阵探测器11、第二面阵探测器12分别选用第一CCD探测器11、第二CCD探测器12。

光路为：正交偏振激光器1发出的正交偏振的线偏振激光经扩束系统2扩束准直后经半透半反镜3，一束入射参考镜4返回半透半反镜3成为参考光，另一束经第一会聚透镜5、液晶CGH6调制后成为测量光入射待测非球面7，经待测非球面7反射后携带待测非球面7面形误差信息，回到半透半反镜3与参考光发生干涉。参考光和测量光经半透半反镜3后，经第二会聚透镜8、准直透镜9缩束后同时入射偏振分光棱镜10，按照偏振态分为两束，分别由第一面阵探测器11和第二面阵探测器12同步探测记录干涉图。

上述正交偏振激光器1能发出正交偏振的线偏振激光，包括但不限于塞曼效应双频激光器、四频环形激光器、双折射正交偏振双频激光器等，激光波长为632.8nm。

上述液晶CGH6由光控取向技术制作。如图2所示，液晶CGH6在基底14上旋涂有液晶涂覆层13，由取向正交的液晶分子15不同区域间隔排列产生位相光栅。记取向分别为方向1和方向2，方向1与方向2正交。取向为方向1的液晶分子15所在区域记为区域1，取向为方向2的液晶分子15所在区域记为区域2，区域1和区域2交替排列，所述区域1和区域2交替排列数量根据被测非球面面形而定。正交偏振激光器1用于发出偏振方向平行于方向1的入射线偏振光，通过区域1产生位相变化δ+π，通过区域2产生位相变化δ。正交偏振激光器1同时用于发出偏振方向平行于方向2的入射线偏振光，通过区域1产生位相变化β-π，通过区域2产生位相变化β。此时，对于偏振方向平行于方向1的入射线偏振光，通过CGH后产生的相位变化分布为补偿被测面像差；对于偏振方向平行于方向2的入射线偏振光，通过CGH后产生的相位变化分布为实现偏振移相。

上述液晶CGH6有两方面作用。其一是补偿待测非球面7像差，完成零补偿干涉测量；其二是配合正交偏振激光器1发出的正交偏振激光完成π相位移相，结合偏振分光棱镜10完成分光，实现空间同步移相干涉测量。

与现有使用光刻液晶CGH6完成补偿被测面像差，使用专门的移相、分光器件完成偏振移相的空间同步移相干涉系统相比，本实施例公开的一种基于液晶液晶CGH6的同步移相干涉测量系统，仅使用液晶CGH6同时完成补偿待测非球面7像差和偏振移相的功能，进而能够精简光路结构，具有系统简洁的优点。

本实施例还公开用于上述基于液晶CGH的同步移相干涉测量系统的一种基于液晶CGH的同步移相干涉测量方法，步骤如图3所示。具体包括如下步骤：

步骤一：正交偏振激光器1发出的正交偏振的线偏振激光经扩束系统2扩束准直后经半透半反镜3，一束入射参考镜4返回半透半反镜3成为参考光，另一束经第一会聚透镜5、液晶CGH6调制后成为测量光入射待测非球面7，经待测非球面7反射后携带待测非球面7面形误差信息，回到半透半反镜3与参考光发生干涉。参考光和测量光经半透半反镜3后，经第二会聚透镜8、准直透镜9缩束后同时入射偏振分光棱镜10，按照偏振态分为两束，分别由第一面阵探测器11和第二面阵探测器12同步探测记录干涉图。图3和图4分别是第一面阵探测器11和第二面阵探测器12记录的干涉图，其光强分布满足

I₁(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[θ(x,y)] (1)

I₂(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[θ(x,y)+π] (2)

步骤二：对步骤一记录的两幅干涉图进行图像处理得到被测面形误差分布。

所述的步骤二优选两步移相法实现。两步移相法优选如下具体方法：

步骤2.1：对步骤一记录的两幅干涉图进行图像配准。图像配准优选如下方法：利用霍夫变换求取干涉图所在区域的圆心位置和半径大小，并进行配准。

步骤2.2：对步骤2.1配准后的两幅干涉图进行解相操作，进而进行相位解包裹操作，解得干涉图对应的相位分布。解相操作优选如下具体方法：

首先求得干涉条纹的直流项A(x,y)

其次对I₁(x,y)进行去直流操作得到I′₁(x,y)＝I₁(x,y)-A(x,y)。对I′₁(x,y)中的每个像素点(x,y)，求得其邻域干涉条纹一个周期内的最大值I′_1max(x,y)和最小值I′_1min(x,y)，则可求得调制项B(x,y)

然后可求得包裹的相位分布

步骤2.3：对步骤2.2得到的相位分布进行换算得到被测面形误差分布。具体换算方法是上述待测相位分布除以4π乘以波长即得到被测面形误差分布，如图5所示。

本实施例公开的一种基于液晶CGH的同步移相干涉测量方法，同步采集两幅相移干涉图，能够避免环境振动和空气抖动的影响，减少测量过程中的误差来源，即能够继承现有同步移相干涉测量方法抗干扰能力强、测量精度高的优点。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于液晶CGH的同步移相干涉测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：正交偏振激光器(1)发出的正交偏振的线偏振激光经扩束系统(2)扩束准直后经半透半反镜(3)，一束入射参考镜(4)返回半透半反镜(3)成为参考光，另一束经第一会聚透镜(5)、液晶CGH(6)调制后成为测量光入射待测非球面(7)，经待测非球面(7)反射后携带待测非球面(7)面形误差信息，回到半透半反镜(3)与参考光发生干涉；参考光和测量光经半透半反镜(3)后，经第二会聚透镜(8)、准直透镜(9)缩束后同时入射偏振分光棱镜(10)，按照偏振态分为两束，分别由第一面阵探测器(11)和第二面阵探测器(12)同步探测记录干涉图，第一面阵探测器(11)、第二面阵探测器(12)记录的干涉图的分别光强分布满足公式(1)、(2)：

I₁(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[θ(x,y)] (1)

I₂(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[θ(x,y)+π] (2)

步骤二：对步骤一记录的两幅干涉图进行图像处理得到被测面形误差分布；

步骤2.1：对步骤一记录的两幅干涉图进行图像配准；

步骤2.2：对步骤2.1配准后的两幅干涉图进行解相操作，进而进行相位解包裹操作，解得干涉图对应的相位分布；

步骤2.3：对步骤2.2得到的相位分布进行换算得到待测非球面(7)面形误差分布。

2.根据权利要求1所述的一种基于液晶CGH的同步移相干涉测量方法，其特征在于：步骤2.2所述的解相操作选用如下具体方法：

首先求得干涉条纹的直流项A(x,y)

其次对I₁(x,y)进行去直流操作得到I′₁(x,y)＝I₁(x,y)-A(x,y)；对I′₁(x,y)中的每个像素点(x,y)，求得其邻域干涉条纹一个周期内的最大值I′_1max(x,y)和最小值I′_1min(x,y)，则可求得调制项B(x,y)

然后可求得包裹的相位分布

3.根据权利要求1或2所述的一种基于液晶CGH的同步移相干涉测量方法，其特征在于：

所述的正交偏振激光器(1)选用塞曼效应双频激光器、四频环形激光器或双折射正交偏振双频激光器；

所述的第一面阵探测器(11)、第二面阵探测器(12)选用CCD探测器。