CN108957716B - 空间光调制器中心位置干涉对准装置及方法 - Google Patents

空间光调制器中心位置干涉对准装置及方法 Download PDF

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Abstract

空间光调制器中心位置干涉对准装置及方法，属于超精密光电测量技术领域。本发明基于等厚干涉原理，利用空间光调制器输出四象限相位图，通过简洁的光路结构获取干涉图，以实现入射光束中心与空间光调制器中心的对准。本发明方案利用泰曼干涉光路结构，通过四象限相位图实现楔形平板等厚干涉，利用图像处理技术提取入射圆光斑中心和空间光调制器中心位置，从而达到中心对准的目的。本发明对准精度高、使用灵活性大、系统结构简单，可广泛应用于许多光学系统的模拟设计和研究领域。

Description

空间光调制器中心位置干涉对准装置及方法
技术领域
本发明涉及一种空间光调制器中心位置干涉对准装置及方法，属于超精密光电测量技术领域。
背景技术
空间光调制器是一种在主动控制下，可以通过液晶分子调制光场某个或多个参量的光学器件，因其具有可改变光场振幅、相位及偏振态等参数的特性，并可进行某些光学器件的模拟设计等特点，近年来被广泛应用于光学系统当中。由于空间光调制器中心与光束入射位置的对准程度直接影响着光场调制结果的优劣，因此空间光调制器中心精密对准是其使用过程中需要关注的一大问题。
在精密测量领域中，光学对准程度对测量的精度和准确度都有很大影响，光学对准技术是科研人员关心和研究的一个热点。例如，在精密制造工程中利用无衍射光斑进行直线度测量时，无衍射光的环栅状光斑中心的对准精度对直线度误差测量精度具有决定性的影响；又如在扫描干涉场曝光技术中，光束重合程度直接影响着干涉场中的干涉条纹对比度，从而影响光栅掩模槽形的质量；又如在光刻机技术中，工件待加工区域与掩模版的精确对准是确保在线宽不断缩小情况下工件被正确加工的前提。
在空间光调制器相关对准研究中，文献(Chen J，Wan C，Kong L，et al.Precisetransverse alignment of spatial light modulator sections for complex opticalfield generation.[J].Applied Optics，2017，56(10)：2614.)介绍了一种产生复光场的方法，将两个空间光调制器分为四个部分，分别调制相位、振幅、偏振比和延迟以产生复光场，四部分的坐标系通过四个维度调制的光斑图形进行对准，可准确获得四部分坐标对应关系。文献(Leportier T，Park M C，Kim T.Numerical Alignment of Spatial LightModulators for Complex Modulation in Holographic Displays[J]. JournalofDisplay Technology，2016，12(10)：1000-1007.)介绍了在全息成像中，利用两个空间光调制器对波前相位和幅值进行调制，为减小由于未对准产生的图像重影、以及衍射噪声的问题，提出了利用数值补偿方式实现两个空间光调制器对准，可用于大尺寸全息成像。中国专利：一种空间光调制器中心与相机中心空间位置的标定方法(专利申请号：201110276573.3)，利用“十”字标记，完成的空间光调制器中心与相机的对准和位置标定，可应用于无掩模光刻系统中。
上述光学对准方法都是根据相应的研究内容提出的，所述方法具有针对性，且上述方法未涉及在纯相位空间光调制器应用中，入射光束中心与空间光调制器中心精确对准的问题。在很多研究领域，如光镊技术、光瞳滤波技术中，需要将光束入射区域与空间光调制器的调制区域完全对准，才能够得到理想的调制效果。因此，本发明提出了空间光调制器中心位置干涉对准装置及方法。
发明内容
针对空间光调制器中心对准存在的问题，本发明设计了一种基于干涉图的空间光调制器中心位置干涉对准方法及装置。该装置可实现空间光调制器中心与入射光束中心精密对准，且装置结构较简单，降低系统装调难度。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
空间光调制器中心位置干涉对准装置，包括激光光源(1)、准直扩束器(2)、圆形光阑(3)、分光棱镜(4)、空间光调制器(5)、参考反射镜(6)、透镜 (7)、成像透镜(8)和CCD(9)。
如附图1所示，激光器(1)发出的光，经准直扩束镜(2)之后，再经过光阑(3)变为标准圆光束，再由分光棱镜(4)分为两束光，一束照射到空间光调制器(5)上，另一束光照射到参考反射镜(6)上，两束光分别经反射后，在分光棱镜(3)处合束，合束后的光由于相位差固定将发生干涉，干涉后的光在经透镜(7)和成像透镜(8)，将干涉图像放大成像到CCD(9)上。
在统一设定的坐标系下，空间光调制器对准方法如下：
1)调整空间光调制器和参考反射镜，使其反射光均按原路返回，并使两光束在干涉光路部分完全重合；
2)给定相位图如附图2，一、三象限的光程差函数为：Δ1＝αλy/π；给定二、四象限的光程差函数为：Δ2＝αλx/π；该相位图原点为空间光调制器的中心，其坐标x，y为附图1所示坐标系定义，α为相位常数。
3)对CCD获取的干涉图进行处理。首先利用圆中心提取算法获取圆光斑中心坐标，然后利用四象限条纹图提取空间光调制器中心坐标。
4)如果圆光斑中心坐标和空间光调制器中心坐标不相同时，则记录下坐标差值，通过调整空间光调制器的安装位置，或者改变相位图的中心位置，使干涉图的两中心坐标相同，此时即完成入射光束中心与空间光调制器中心对准。
本发明进一步的改进在于，利用扩束镜和圆形光阑，将光束整形为标准圆光束，便于后续光斑中心的提取。
本发明进一步的改进在于，利用纯相位空间光调制器的灰度和相位对应关系，通过四象限不同方向的线性变化的相位图，可获得四象限分界清晰的干涉图像，便于后续的空间光调制器中心提取。
本发明具有以下显著特点和有益效果：
1)入射光束与空间光调制器中心对准的精度，直接影响着空间光调制器在光学系统中的调制效果。本发明给出的对准方法，系统结构简单，对准精度高；
2)可应用于很多光学系统。当对准完成后，可拆除光学系统中不需要的器件，而不会影响原系统的光路结构。
附图说明
附图1为空间光调制器中心干涉对准装置图。
图中件号说明：1-激光光源、2-准直扩束器、3-圆形光阑、4-分光棱镜、5- 空间光调制器、6-参考反射镜、7-透镜、8-成像透镜、9-CCD。
附图2为空间光调制器的相位图。
附图3(a)为CCD上的干涉图，一象限条纹为水平z向，图3(b)未对准干涉图。
附图4为共焦显微系统中光瞳调制装置图。
图中件号说明：1-激光光源、2-准直扩束器、3-圆形光阑、4-分光棱镜、5- 空间光调制器、11-偏振分光镜、12-1/4波片、13-显微物镜、14-被测表面、15- 收集透镜、16-针孔、17-光强探测器。
附图5为具体实施方式中空间光调制器的相位图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明整体实施实例作详细说明。其具体实现过程是：
如附图1所示，空间光调制器中心干涉对准装置，包括激光光源(1)、准直扩束器(2)、圆形光阑(3)、分光棱镜(4)、空间光调制器(5)、参考反射镜(6)、透镜(7)、成像透镜(8)和CCD(9)，参考反射面的虚像(10)。
如附图1所示，激光器(1)发出的光，经准直扩束镜(2)后，光经过光阑 (3)变为标准圆光束，再由分光棱镜(4)分为两束光，一束照射到空间光调制器(5)上，另一束光照射到参考反射镜(6)上，两束光分别经反射后，在分光棱镜(3)处合束，合束后的光由于相位差固定将发生干涉，干涉后的光在经透镜(7)和成像透镜(8)，将干涉图像放大成像到CCD(9)上。
依据等厚干涉原理，在统一设定的坐标系下如附图1所示，其干涉强度表达式为：
Figure RE-GDA0001727080750000041
其中λ为光波波长，I1为参考光的光强，I2为空间光调制器反射的光强，若空间光调制器的表面绕y轴偏转α角时，两路光的光程差Δ为：
Δ＝2nαx+2nh (2)
其中n为折射率，空气折射率n＝1，α为参考反射面在透射光路部分的虚像 (10)与空间光调制器反射面的夹角，x为空间光调制器上x向位置坐标，h为空间光调制器与参考反射面虚像(10)的距离。由公式(1)和(2)可见，当α≠0且为一固定值时，干涉条纹周期不变，当h不同时，条纹位置会发生移动。因此，当给定空间光调制器不同的相位图时，可以改变干涉条纹的周期、干涉条纹方向以及干涉条纹的位置。
在统一设定的坐标系下，空间光调制器对准方法如下：
1)调整空间光调制器和参考反射镜，使其反射光均按原路返回，并使两光束在干涉光路部分完全重合；
2)给定相位图如附图2，一、三象限的光程差函数为：Δ1＝αλy/π；给定二、四象限的光程差函数为：Δ2＝αλx/π；该相位图原点为空间光调制器的中心，其坐标x，y为附图1所示坐标系定义，α为相位常数。
3)对CCD获取的干涉图进行处理。首先利用圆中心提取算法获取圆光斑中心坐标，然后利用四象限条纹图提取空间光调制器中心坐标。
4)如果圆光斑中心坐标和空间光调制器中心坐标不相同(如附图3(a))时，则记录下坐标差值，通过调整空间光调制器的安装位置，或者改变相位图的中心位置，使干涉图的两中心坐标相同，此时即完成入射光束中心与空间光调制器中心对准，如附图3(b)。
下面结合共焦显微系统说明空间光调制器的应用方法：
如附图4所示，在共焦显微镜中，空间光调制器可作为光瞳滤波器使用，在共焦显微装置中，要求入射显微物镜(13)的光束为满光瞳入射，光瞳滤波器的加入可以提高系统的径向分辨力，因此光瞳滤波器中心必须与入射光束中心重合对准。调整步骤如下：
1)按照附图1所示，应用上述空间光调制器与入射光束对准方法，完成空间光调制器的对准；
2)将参考反射镜(6)、透镜(7)、成像透镜(8)和CCD(9)拆除；
3)如附图4所示，在光路中加入偏振分光镜(11)、1/4波片(12)、显微物镜(13)、被测表面(14)、收集透镜(15)、针孔(16)、光强探测器(17)，构成共焦显微镜，使光束满光瞳入射显微物镜(13)；
4)此时可以通过给空间光调制器输入相应的相位光瞳函数，如附图5所示的三区结构光瞳函数，每个区域给定不同灰度，对应不同的相位值，从而实现波前的相位调整，可以使共焦显微系统径向分辨力得以提高。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制本发明的范围。
本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.空间光调制器中心位置干涉对准装置及方法，其特征在于：包括激光光源(1)、准直扩束器(2)、圆形光阑(3)、分光棱镜(4)、空间光调制器(5)、参考反射镜(6)、透镜(7)、成像透镜(8)和CCD(9)，
光学路径：激光器(1)发出的光，经准直扩束镜(2)之后，再经过光阑(3)变为标准圆光束，再由分光棱镜(4)分为两束光，一束照射到空间光调制器(5)上，另一束光照射到参考反射镜(6)上，两束光分别经反射后，在分光棱镜(3)处合束，合束后的光由于相位差固定将发生干涉，干涉后的光在经透镜(7)和成像透镜(8)，将干涉图像放大成像到CCD(9)上；
空间光调制器(5)输出的四象限相位图，其相邻象限相位变化规律不同；CCD(9)获取的光斑图，外轮廓为圆形，光斑内部结构为四象限条纹图，相邻象限条纹方向相互垂直。
2.根据权利要求1所述的空间光调制器中心位置干涉对准装置及方法，其特征在于：入射光束通过准直扩束镜(2)和圆形光阑(3)后变为均匀的圆形平行光束。
3.根据权利要求1所述的空间光调制器中心位置干涉对准装置及方法，其特征在于：光斑图采用图像处理算法，通过提取光斑形心和条纹图分界线位置，实现入射光中心与空间光调制器中心的对准。
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