CN109141287A - 基于空间光调制器的点光源阵列发生器及其获得方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间光调制器的点光源阵列发生器包括激光器、扩束镜、准直镜、起偏器、空间光调制器、计算机和成像透镜；及点光源阵列获得方法，包括计算点光源阵列发生器所需离轴抛物面镜结构和光学参数，设计对应灰度图；将设计灰度图通过计算机加载到空间光调制器上，激光器发出的光经扩束准直系统及起偏器后，形成平行光入射到二维空间光调制器上，经空间光调制器调制后，在透镜焦平面处获得二维点光源阵列。本发明易实现，灵活性高，获得的点源阵列参数精度高，通用性强，符合倾斜波面非零位干涉系统点光源阵列发生器需求。

Description

基于空间光调制器的点光源阵列发生器及其获得方法

技术领域

本发明涉及一种点光源阵列发生器，具体地说，涉及一种可广泛应用于大梯度非球面及自由曲面的面形检测的多重倾斜波面非零位干涉系统的核心器件。

背景技术

自由曲面由于其本身自由度高、梯度变化大、面形结构灵活的特点，使其具有极高的设计自由度，满足现代光学系统紧凑化、微型化、轻量化的要求，获得更好的光学性能，所以其在军用、航空航天等领域得到越来越多的重视。但是，高精度的自由曲面加工依赖于高精度的面形检测。目前国际上对于梯度变化较大的非球面和自由曲面的面形检测方法主要是干涉测量法，其中倾斜波面干涉法综合夏特曼波前检测和子孔拼接法的优点，具有检测精度高、通用性强、效率高等优点，为自由曲面光学元件的检测提供一种有效的检测手段。其中，点光源阵列发生器是倾斜波面干涉系统的核心器件，通过产生用于补偿待测件自由曲面各个局部区域梯度的球面波阵列，实现面形测量。

目前倾斜波面干涉系统的点光源阵列发生器主要有两种结构形式，一种是2007年德国斯图加特大学的Osten教授所在科研团队提出微透镜阵列结构(Eugenio Garbusi.Newtechnique for flexible and rapid measurement of precision Aspheres，SPIEVol.6616 661629-1，2007)。另一种是2014年南京理工大学团队提出的光纤阵列结构。由于光学自由曲面的面形表面梯度变化大且无规律性，要求设计的点源阵列足够密集且形状可任意变化。微透镜阵列结构是由一定数量的单透镜构成的器件，从而存在球差，使透镜发出的光不是理想球面波，在倾斜波面干涉系统中引入测量误差。另外，为了保证光通量，透镜阵列子单元口径不能过小，因此透镜阵列型点源发生器出射的点光源阵列不够密集，使用掩膜技术无法产生任意分布的点光源阵列。光纤阵列结构是由光纤阵列、光纤耦合模块(光开关和光纤耦合器)、FC/PC连接头组成，通过光纤耦合模块把激光器发出的光分成能量相等的N束光，与光纤阵列连接，形成点光源阵列。由于使用光开关、光纤耦合器控制光束分束和通断，存在机械惯性。FC/PC连接头存在较大的损耗，降低出射光强强度。每根光纤存在一定的长度差，从而引入光程差，降低系统测量精度。

空间光调制器是一种对光波的空间分布进行实时调制的器件，具有可编程特性，广泛应用于光束分束、相干波前调制、全息投影、激光脉冲整形等领域。空间光调制器含有许多独立单元，在空间上排成一维或二维的阵列，每个单元单独接受光学信号或电学信号的控制，利用对应的物理效应改变自身光学特性，从而实现对照明到其上的光波进行调制的作用。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于空间光调制器的点光源阵列发生器及其获得方法，根据待测件面形信息数据，计算点光源阵列所需离轴抛物面镜的数量N，口径D，离轴角离轴量d等参数，使用matlab设计灰度图，将灰度图通过计算机加载于空间光调制器上。通过空间光调制器对光束进行调制，在焦点处获得点源阵列，从而获得符合待测件面形信息的点光源阵列发生器。克服基于微透镜阵列的点源阵列带来的球差以及测量灵活性差的问题，也克服了基于光纤阵列的点源发生器的机械惯性，不能实时控制光束的问题。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于空间光调制器的点光源阵列发生器，该点源阵列发生器为倾斜波面非零位干涉系统的核心器件(参见文献1：沈华.基于多重倾斜波面的光学自由曲面非零位干涉测量关键技术研究[D].南京，南京理工大学，2014.)，包括激光器、扩束镜、准直镜、起偏器、空间光调制器、计算机和成像透镜；

沿所述的激光器的激光输出方向是所述的扩束镜、准直镜、起偏器和空间光调制器，经该空间光调制器反射后，入射到所述的成像透镜，该空间光调制器的控制端与计算机相连。

在所述的空间光调制器加载有灰度图，该灰度图通过计算机将共轭相位(-Φ)灰度图叠加离轴抛物面镜阵列相位灰度图得到。

一种基于空间光调制器的点光源阵列的获得方法，其特点在于，该方法包括下列步骤：

步骤1)根据待测自由曲面的说明书，获得待测自由曲面的口径D、面形梯度极值α及最接近球面曲率半径R；

根据空间光调制器的说明书，获得空间光调制器的像素数a×b，像素尺寸p；

步骤2)搭建点光源阵列发生器，包括激光器、扩束镜、准直镜、起偏器、空间光调制器、计算机和成像透镜；沿所述的激光器的激光输出方向是所述的扩束镜、准直镜、起偏器和空间光调制器，经该空间光调制器反射后，入射到所述的成像透镜，该空间光调制器的控制端与计算机相连；

步骤3)利用zygo干涉仪测量得到空间光调制器的初始相位(Φ)波面图，使用matlab编程得到共轭相位(-Φ)灰度图；

步骤4)计算灰度图所需离轴抛物面镜的光学参数，如下式：

步骤4.1)计算单个离轴抛物面镜口径d：

d＝M×p

式中：M为每个点光源阵列间隔的空间光调制器像素数；

步骤4.2)结合下式，利用分步迭代法寻找结构最优化解得到离轴抛物面离轴角母抛物面焦距f′和离轴量b：

式中，U为经成像透镜的出射光束孔径角，θ为经离轴抛物面镜反射的子光束靠近光轴的边缘光线与离轴抛物面镜光轴的夹角；

步骤5)根据步骤4)得到的参数和所需点光源数量N，通过matlab编程得到离轴抛物面镜阵列相位灰度图；

步骤6)通过计算机将共轭相位(-Φ)灰度图叠加离轴抛物面镜阵列相位灰度图得到灰度图；

将灰度图加载到空间光调制器上，并在其界面上显示，最终得到对应点光源阵列。

所述的对应点光源阵列的最边缘两束点光源的出射光照射到待测自由曲面上的重叠区域要大于待测自由曲面的口径D。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)空间光调制器具有像素尺寸小、数量多，每个像素可独立编程控制，空间分辨率高，无机械惯性，可对光束进行实时控制，是应用于波前控制的理想器件。

(2)由于离轴抛物反射镜可在特定角度下直射并聚焦入射平行光，并且支持无限远焦点，且平行光束聚焦不会产生球差和色差。空间光调制器可对入射的光源进行相位和振幅的调制，根据被检自由曲面表面梯度分布的复杂性以及任意性，基于计算机相位全息技术，在空间光调制器初始波面图的共轭图上叠加离轴抛物面反射镜阵列相位因子，加载到空间光调制器上，产生任意形状、动态的点光源阵列。

(3)针对不同待测件，只需要设计不同全息图即可，克服现有固定微透镜阵列以及光纤阵列的缺点，测量范围更大，通用性强，灵活度高；

(4)突破了使用透镜阵列结构和光纤阵列结构的点光源阵列发生器的局限，能够能更好的匹配光学自由曲面面形的复杂性和任意性。

附图说明

图1基于空间光调制器的点光源阵列发生器的结构示意图

图2空间光调制器产生二维点光源阵列示意图

图3点光源阵列参数与待测件参数关系图，其中，(a)图表示点源阵列与待测自由去面参数关系图；(b)图表示点光源发生器物像关系图；(c)图表示各点源出射光波孔径角限制条件示意图；(d)图表示离轴抛物面镜光路结构图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述，但不应限制本发明的保护范围

结合图1，该点光源阵列发生器包括激光器1，沿该激光器1的激光输出方向依次是扩束镜2、准直镜3、起偏器4、空间光调制器5、成像透镜7。

在所述的起偏器4和成像透镜7之间设有空间光调制器5，该空间光调制器5的控制端与计算机6相连。

基于空间光调制器的点光源阵列的获得方法，包括下列步骤：

1)根据待测自由曲面的说明书，获得所述待测自由曲面光学参数包括：口径D、面形梯度极值α以及最接近球面曲率半径R；根据空间光调制器的说明书，获得空间光调制器的像素数a×b，像素尺寸p；

2)灰度图8是由空间光调制器5初始波面图的共轭图叠加离轴抛物面镜阵列相位灰度图得到。利用zygo干涉仪测量得到空间光调制器初始相位(Φ)波面图，使用matlab编程得到共轭相位(-Φ)图；离轴抛物面镜阵列相位灰度图是根据离轴抛物面镜光学参数和所需点光源数量N，使用matlab编程得到。

灰度图8所需离轴抛物面镜光学参数(口径d，离轴角离轴角，离轴量，母抛物面焦距f′)，根据待测自由曲面已知光学参数及空间光调制器参数通过建立多个方程计算得到，如图3中(a)、(b)、(c)、(d)所示，具体计算过程如下：

点光源阵列排列方式参见专利2：路晴.一种获得倾斜波面干涉系统中点源阵列分布的规划方法[P].中国专利：CN201610575173.5，2016-12-07。得到每个点光源阵列间距间隔M个空间光调制器像素。

单个离轴抛物面镜口径d可表示为

d＝M×p (1-1)

根据CCD(参考文献1)的一个像元探测干涉场中一根条纹的最大分辨原则，可以推导出测试波面和参考波面的最大夹角β表达式为：

a＝f₂·tanβ (1-3)

由式(1-2)、(1-3)得

其中，f₂为球面补偿镜组S焦距，λ为光源波长，P为CCD像元大小。

所需点光源数量N，可表示为：

其中α为待测自由去面面形梯度极值，

根据图3(a)可得，

由式(1-6)、(1-7)可得

θ₅＝2θ₂+2α-θ₃ (1-8)

其中，D为待测件口径，R为最佳拟合球面半径，α为待测件的梯度极值，a为实际点光源测试波面反射时允许偏离理想反射位置的范围。

点光源阵列发生器像面最边缘点光源距离光轴距离r′表示为：

根据空间几何光线成像原理，由图3(b)可得

结合式(1-9)可求得点光源阵列发生器最边缘点光源距离光轴最大距离r。

由图3(b)可得，球面准直镜焦距f₁，根据边缘子透镜光束通过球面补偿透镜组后的光束孔径U′可表示为：

U′＝U₁′+U′₂(1-13)

另根据成像关系，可得点光源阵列发生器最边缘点光源距离光轴最大距离r为：

根据图3(c)所示，系统进行干涉测试时要求透镜阵列每个子透镜出射的球面波都能够覆盖待测自由曲面整个口径，结合图(b)、(c)可得：

U′≥2U″ (1-15)

即

结合式(1-9)、(1-10)、(1-14)和(1-17)，可求得子光源入射光束孔径角U表示为：

每个由离轴抛物面镜形成的子点光源光学参数计算过程如下：

其中，为离轴抛物面离轴角，b为离轴量，f′为母抛物面焦距。

根据图3(d)中几何关系，可得：

其中，U为子光源入射光束孔径角，d为离轴抛物面口径，θ为经离轴抛物面镜反射的子光束靠近光轴的边缘光线与光轴夹角。

其中，入射光束孔径角U、离轴量b及离轴角为相互制约的关系，结合以上各式，由于未知参数较多，利用分步迭代法寻找结构最优化解，最终计算可得到，加载到空间光调制器5上的灰度图(8)对应离轴抛物面镜离轴角离轴量b及焦距f′。根据计算得到的参数，通过matlab编程，可得所需离轴抛物面镜阵列相位灰度图。

利用离轴抛物面镜的特殊性质，平行光入射经离轴抛物面镜反射后汇聚于一点，从而得到接近理想子点光源。

为确保光路能够原路返回，且相邻光束不发生串扰，要求空间光调制器离轴角尽量小；同时，要使离轴角尽量大，从而出射光束孔径角尽量大，使其能够覆盖整个待测件面形。

所述点光源阵列发生器，出射光为等光强，为避免相邻光源串扰，每若干相邻干涉源为一组，每次仅开放一组中的一个干涉源。

根据任意待测件计算得到不同的点光源阵列结构和参数，将其设计为对应的灰度图，通过计算机将其加载到空间光调制器上都可产生点光源阵列，从而实现面形测量。

要求设计得到的点光源阵列最边缘两束点光源的出射光，照射到待测自由曲面上的重叠区域要大于其口径D。

Claims (4)

1.一种基于空间光调制器的点光源阵列发生器，其特征在于，包括激光器(1)、扩束镜(2)、准直镜(3)、起偏器(4)、空间光调制器(5)、计算机(6)和成像透镜(7)；

沿所述的激光器(1)的激光输出方向是所述的扩束镜(2)、准直镜(3)、起偏器(4)和空间光调制器(5)，经该空间光调制器(5)反射后，入射到所述的成像透镜(7)，该空间光调制器(5)的控制端与计算机(6)相连。

2.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的点光源阵列发生器，其特征在于，在所述的空间光调制器(5)加载有灰度图(8)，该灰度图(8)通过计算机将共轭相位(-Φ)灰度图叠加离轴抛物面镜阵列相位灰度图得到。

3.一种基于空间光调制器的点光源阵列的获得方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

步骤1)根据待测自由曲面的说明书，获得待测自由曲面的口径D、面形梯度极值α及最接近球面曲率半径R；

根据空间光调制器的说明书，获得空间光调制器的像素数a×b，像素尺寸p；

步骤2)搭建点光源阵列发生器，包括激光器(1)、扩束镜(2)、准直镜(3)、起偏器(4)、空间光调制器(5)、计算机(6)和成像透镜(7)；沿所述的激光器(1)的激光输出方向是所述的扩束镜(2)、准直镜(3)、起偏器(4)和空间光调制器(5)，经该空间光调制器(5)反射后，入射到所述的成像透镜(7)，该空间光调制器(5)的控制端与计算机(6)相连；

步骤3)利用zygo干涉仪测量得到空间光调制器(5)的初始相位(Φ)波面图，使用matlab编程得到共轭相位(-Φ)灰度图；

步骤4)计算灰度图(8)所需离轴抛物面镜的光学参数，如下式：

步骤4.1)计算单个离轴抛物面镜口径d：

d＝M×p

式中：M为每个点光源阵列间隔的空间光调制器像素数；

步骤4.2)结合下式，利用分步迭代法寻找结构最优化解得到离轴抛物面离轴角母抛物面焦距f′和离轴量b：

式中，U为经成像透镜(7)的出射光束孔径角，θ为经离轴抛物面镜反射的子光束靠近光轴的边缘光线与离轴抛物面镜光轴的夹角。

步骤5)根据步骤4)得到的参数和所需点光源数量N，通过matlab编程得到离轴抛物面镜阵列相位灰度图；

步骤6)通过计算机将共轭相位(-Φ)灰度图叠加离轴抛物面镜阵列相位灰度图得到灰度图(8)；

将灰度图(8)加载到空间光调制器上，并在其界面上显示，最终得到对应点光源阵列。

4.根据权利要求3所述的基于空间光调制器的点光源阵列发生器及其获得方法，其特征在于，所述的对应点光源阵列的最边缘两束点光源的出射光照射到待测自由曲面上的重叠区域要大于待测自由曲面的口径D。