CN108592820A - 基于动态波前调制结合计算全息片的干涉面形检测方法 - Google Patents

基于动态波前调制结合计算全息片的干涉面形检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于动态波前调制结合计算全息片的干涉面形检测方法，用于解决大梯度变化的光学自由曲面元件面形高精度检测的问题。本发明将待测光学自由曲面元件的面形分为两部分：非球面面形和剩余自由曲面面形。其中非球面面形通过在测试光路中放置的CGH生成一个旋转对称非球面波前，补偿该待测自由曲面元件的非球面变化部分。而剩余自由曲面面形通过在参考光路中放置的纯相位型反射式空间光调制器动态调制补偿。本发明的优点在于通过动态波前调制结合静态CGH补偿的方式，有效解决了大梯度变化波前生成难得问题，且提高了系统通用性；提高了波前调制精度，且属于零位干涉，测量精度高；可建立在原有的CGH测量系统光路中，装置简单易实现。

Description

基于动态波前调制结合计算全息片的干涉面形检测方法
技术领域
本发明属于自由曲面元件面形高精度检测技术领域，具体涉及一种基于动态波前调制结合计算全息片的干涉面形检测方法。
背景技术
光学自由曲面元件其表面自由度较大,可以针对性地提供或矫正不同的轴上或轴外像差,使光学系统的性能显著提升，同时满足现代光学系统轻量化和微型化的要求,逐渐成为现代光学研究领域和工业及商业领域的新宠。但是其过多的“自由度”，使得该型元件的高精度检测与加工变得十分困难，制约了进一步的推广、使用。
在所有的面形测量方法中，零位干涉测量是公认的测量精度最高的方法。所谓零位干涉法即是指干涉系统中的测试波面与待测件面形完全吻合，测试波面经由待测面完全按其法线方向反射。计算全息法作为应用最成功的一种零位干涉测量法，理论上，只要知道物波的物理模型，就能通过衍射的原理产生任意形状的波前，从而提供各种面形检测所需的“标准样板”。2013年，南京理工大学黄亚等在《基于计算全息的光学自由曲面测量的不确定度分析》一文中采用CGH补偿法实现了对光学自由曲面不确定度达到(PV值)的高精度测量；然而CGH器件主要应用在小梯度变化的面形检测中，当面形梯度变化很大的时候，CGH面上需要补偿的空间相位空间频率很高，超出了CGH制作设备的加工范围，无法加工或加工误差很大，无法应用在光学检测中；同时CGH方法是一种一对一的检测方法，测量的通用性差。
随着电子技术和制作工艺的提高，研究者开始选用具有实时显示功能的液晶空间光调制器作为计算全息图的记录介质并成功应用在光学检测领域中；利用液晶空间光调制器的实时可编程性动态调整输出波前，减小了系统误差、提高了系统的抗干扰能力。目前，美国的Tropel公司、Zygo公司等均实现了该器件对非球面的实时测量。但由于现有液晶空间光调制器的空间分辨率低于CGH器件，使得该方法的测试精度不如CGH测试方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于动态波前调制结合计算全息片的干涉面形检测方法，能够解决生成大梯度变化波前存在的传统计算全息片（CGH）加工难度大、系统通用性低的问题，同时提高了系统的抗干扰能力。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于动态波前调制结合计算全息片的干涉面形检测方法，包括第一偏振片、分光板、标准球面透镜组、CGH、液晶空间光调制器、扩束系统和成像系统；共光轴依次设置第一偏振片、分光板、标准球面透镜组、CGH、待测自由曲面元件；扩束系统和液晶空间光调制器依次设置在分光板的反射光路上，成像系统设置在分光板的透射光路上，且液晶空间光调制器、扩束系统和成像系统共光轴。
第一步，入射准直平行光经第一偏振片、分光板后分成两束光，一束为测试光，另一束参考光，其中测试光转入第二步；同时参考光转入第四步。
第二步，测试光透过分光板经标准球面透镜组后生成标准球面波前入射到CGH上，经CGH衍射生成一个旋转对称非球面波前用于补偿待测自由曲面元件的非球面面形部分，转入第三步。
第三步，该非球面波前由待测自由曲面元件反射后再次经过CGH、标准球面透镜组最后由分光板反射至成像系统，作为携带面型信息的测试光，转入第六步。
第四步，参考光由分光板反射后竖直进入扩束系统，经液晶空间光调制器调制补偿后，再经扩束系统生成自由曲面波前用于补偿待测自由曲面元件的自由曲面面形部分，转入第五步。
第五步，该自由曲面波前透射过分光板进入成像系统，作为补偿参考光，转入第六步。
第六步，补偿参考光和携带面型信息的测试光由成像系统中形成干涉条纹并被采集。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）实现自由曲面元件的零位干涉测量，测量精度高。
（2）将具有动态波前调制功能的液晶空间光调制器与传统CGH干涉测量相结合，提高了干涉测量系统的通用性及抗干扰能力。
（3）在现有的CGH干涉测量装置基础上搭建，装置简单易实现。
附图说明
图1为实现本发明的装置结构示意图。
图2为本发明生成非球面波前与自由曲面波前的关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1和图2，一种基于动态波前调制结合计算全息片的干涉面形检测方法，包括第一偏振片1、分光板2、标准球面透镜组3、CGH4、液晶空间光调制器6、扩束系统7和成像系统8；共光轴依次设置第一偏振片1、分光板2、标准球面透镜组3、CGH4、待测自由曲面元件5；扩束系统7和液晶空间光调制器6依次设置在分光板2的反射光路上，成像系统8设置在分光板2的透射光路上，且液晶空间光调制器6、扩束系统7和成像系统8共光轴。
在检测前，先液晶空间光调制器6进行调试，方法如下：
a、将液晶空间光调制器6置于封闭的环境，减小环境的干扰；通电半小时，以达到该器件的稳定工作状态。
b、以Zygo干涉仪作为波前传感器，记录稳定状态下液晶空间光调制器6的波前相位信息，记为w1；通过对液晶空间光调制器6加载0-255渐变灰度图，获得液晶空间光调制器6加载灰度图后的波前相位信息，记为w2。前后波前相位信息相减，获得调制相位信息，从而获得该器件的实时相位-灰度关系。
c、运用衍射原理先计算任一标准球面在相息平面上的相位分布，并通过获得的相位-灰度关系，将相息平面上的相位分布一一映射为对应的灰度值，制成灰度相息图。通过对液晶空间光调制器6加载灰度相息图，实现波前再现。用Zygo干涉仪对再现波前测量，动态调整液晶空间光调制器6驱动程序，实现该器件对入射参考光的最佳调制，获得预期的输出波前。
d、在此基础上，采用c步骤，实现对待测自由曲面元件5中的自由曲面面形的相息图制作、波前再现。
第一步，入射准直平行光经第一偏振片1、分光板2后分成两束光，一束为测试光，另一束参考光，其中测试光转入第二步；同时参考光转入第四步。
第二步，测试光透过分光板2沿水平方向经标准球面透镜组3后生成标准球面波前入射到CGH4上，经CGH4衍射生成一个旋转对称非球面波前用于补偿待测自由曲面元件5的非球面面形5-1，转入第三步。
第三步，该非球面波前由待测自由曲面元件5反射后再次经过CGH4、标准球面透镜组3最后由分光板2反射至成像系统8，作为携带面型信息的测试光，转入第六步。
第四步，参考光由分光板2反射后竖直进入扩束系统7，经液晶空间光调制器6调制补偿后，再由扩束系统7生成自由曲面波前用于补偿待测自由曲面元件5的自由曲面面形5-2，转入第五步。
第五步，该自由曲面波前透射过分光板2进入成像系统8，作为携带面型信息的参考光，转入第六步。
第六步，携带面型信息的参考光和携带面型信息的测试光在成像系统8中形成干涉条纹并被采集。
将待测光学自由曲面元件5的面形分为非球面面形5-1和剩余自由曲面面形5-2，其中非球面面形通过在测试光路中放置的CGH4生成一个旋转对称非球面波前，补偿该待测自由曲面元件的非球面面形5-1；而自由曲面面形5-2通过在参考光路中放置的液晶空间光调制器6动态调制补偿。
传统衍射光学元件是基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，在基片上通过刻蚀技术产生台阶形的连续浮雕结构，实现对入射光的波前调制，它是一类拥有很高衍射效率的光学元件；同样作为衍射光学元件的液晶空间光调制器的每一个像素独立、可控，通过对液晶像素加载不同的灰度级，利用液晶的双折射特性，实现对入射光的波前调制功能。运用光波的衍射理论，通过算法程序对待测面中自由曲面面形5-2物波的取样、量化、编码实现对自由曲面面形5-2物波在相息平面上的相位信息记录；根据液晶空间光调制器匹配的相位-灰度值关系曲线，制成自由曲面面形5-2对应的灰度相息图。对液晶空间光调制器6加载相应自由曲面面形的灰度相息图并经过准直光束入射，实现自由曲面面形物波5-2的再现。
上述成像系统8包括沿分光板2投射光依次设置的第二偏振片8-1、成像镜头8-2和CCD 8-3，CCD 8-3位于成像透镜8-2的后焦面，携带面型信息的参考光和携带面型信息的测试光经第二偏振片8-1、成像镜头8-2后形成干涉条纹，被CCD 8-3采集。

Claims (5)

1.一种基于动态波前调制结合计算全息片的干涉面形检测方法，其特征在于：包括第一偏振片（1）、分光板（2）、标准球面透镜组（3）、CGH（4）、液晶空间光调制器（6）、扩束系统（7）和成像系统（8）；共光轴依次设置第一偏振片（1）、分光板（2）、标准球面透镜组（3）、CGH（4）、待测自由曲面元件（5）；扩束系统（7）和液晶空间光调制器（6）依次设置在分光板（2）的反射光路上，成像系统（8）设置在分光板（2）的透射光路上，且液晶空间光调制器（6）、扩束系统（7）和成像系统（8）共光轴；
第一步，入射准直平行光经第一偏振片（1）、分光板（2）后分成两束光，一束为测试光，另一束参考光，其中测试光转入第二步；同时参考光转入第四步；
第二步，测试光透过分光板（2）经标准球面透镜组（3）后生成标准球面波前入射到CGH（4）上，经CGH（4）衍射生成一个旋转对称非球面波前用于补偿待测自由曲面元件（5）的非球面面形部分，转入第三步；
第三步，该非球面波前由待测自由曲面元件（5）反射后再次经过CGH（4）、标准球面透镜组（3）最后由分光板（2）反射至成像系统（8），作为携带面型信息的测试光，转入第六步；
第四步，参考光由分光板（2）反射后竖直进入扩束系统（7），经液晶空间光调制器（6）调制补偿后，再经扩束系统（7）生成自由曲面波前用于补偿待测自由曲面元件（5）的自由曲面面形部分，转入第五步；
第五步，该自由曲面波前透射过分光板（2）进入成像系统（8），作为补偿参考光，转入第六步；
第六步，补偿参考光和携带面型信息的测试光由成像系统（8）中形成干涉条纹并被采集。
2.根据权利要求1所述的基于动态波前调制结合计算全息片的干涉面形检测方法，其特征在于：调整第一偏振片（1）角度使其偏振方向平行于液晶空间光调制器（6）液晶分子主光轴，使得液晶空间光调制器（6）处于纯相位工作模式。
3.根据权利要求1所述的基于动态波前调制结合计算全息片的干涉面形检测方法，其特征在于：将待测光学自由曲面元件（5）的面形分为非球面面形（5-1）和剩余自由曲面面形（5-2），其中非球面面形通过在测试光路中放置的CGH（4）生成一个旋转对称非球面波前，补偿该待测自由曲面元件的非球面部分（5-1）；而自由曲面面形（5-2）通过在参考光路中放置的液晶空间光调制器（6）动态调制补偿。
4.根据权利要求1所述的基于动态波前调制结合计算全息片的干涉面形检测方法，其特征在于：上述入射光由分光板（2）反射后竖直进入扩束系统（7）并垂直照射至液晶空间光调制器（6），实现入射光束与液晶有效区域的大小匹配。
5.根据权利要求1所述的基于动态波前调制结合计算全息片的干涉面形检测方法，其特征在于：上述成像系统（8）包括沿分光板（2）投射光依次设置的第二偏振片（8-1）、成像镜头（8-2）和CCD（8-3），CCD（8-3）位于成像透镜（8-2）的后焦面，补偿参考光和携带面型信息的测试光经第二偏振片（8-1）、成像镜头（8-2）后形成干涉条纹，被CCD（8-3）采集。
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