CN111397506A - 一种全息干涉仪的全自动相位误差修正方法与系统 - Google Patents

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Abstract

一种全息干涉仪的全自动相位误差修正方法，基于LCOS，对全息干涉仪系统中由光学器件，以及全息干涉仪系统搭建所引入的波前相位误差，进行自动化修正，在LCOS上加上一个相位光栅，相位光栅是由LCOS像素排列的，每个像素均要经过基于硅基液晶(LCOS)的全息三维干涉仪的全自动相位误差修正：在LCOS上加入相位光栅的参数由下述方法修正，在LCOS上加载相位光栅，而此次加载的光栅仅包含原有相位光栅的很小一部分，很小一部分指一个像素或者一个像素团(MxN个像素)，而把原有相位光栅剩余的部分清零，依次进行逐一的调控；选取G(x,y)作为被调控像素，在G(x,y)上加载光栅相位值，此时平移焦点的接收的能量决定于确定位置的像素G(1,1)以及G(x,y)这两个像素的复振幅相加，遍历完整个相位光栅，并将所记录的每一个像素点上的相位值组合形成新的相位光栅。

Description

一种全息干涉仪的全自动相位误差修正方法与系统
技术领域
本发明涉及信息光学技术领域，尤其是全息干涉仪的全自动相位误差修正方法。尤其是基于硅基液晶(LCOS)的全息(三维)干涉仪的全自动相位误差修正方法及得到的系统。
背景技术
干涉仪是一种可对三维物体表面进行非接触式检测的技术，可对待测物体表面进行纳米量级的高精度检测，同时还能实现相位以及偏振态等信息的检测。干涉仪在科学研究以及工业生产中有广泛的应用，如被应用于检测光学元器件，集成电路，微机电装置以及生物细胞等。
为了实现高精度的检测，传统的干涉仪对系统元器件的精度以及系统的安装搭建都有较高的要求。具体来说，传统干涉仪中所使用的透镜，反射镜等光学元器件的设计以及生产过程均非完美，会对经光学器件作用后的波前引入相位误差；此外，各个光学器件的安装，校准和准直难以实现绝对的准确，同时系统中的机械装置(如微控平台等)也会在系统工作中引入相应的误差。来自于光学器件本身以及光学系统搭建的误差，都会影响干涉条纹记录，并最终降低重构表面的精度。正因为这些因素，传统的干涉仪成本高，体积大，且抗干扰能力差。
LCOS(Liquid Crystal on Silicon)，即液晶附硅，也叫硅基液晶，是一种基于反射模式，尺寸非常小的矩阵液晶显示装置。这种矩阵采用CMOS技术在硅芯片上加工制作而成。硅基液晶器件(Liquid Crystal on Silicon，缩写LCoS)是一种高自由度的空间光调制器，可对光波前进行微米像素级(目前制品为几微米)的振幅或者相位调控，被广泛地应用于光通讯，显示，生物光学成像等场景。同时，LCoS也被证明能够有效的对光学系统中的误差进行补偿和修正。而LCoS器件本身的质量，如表面平整度，封装工艺，调制曲线等性能参数，决定了其对于光学系统误差补偿的精度。
LCOS则是做在硅晶圆上。前LCOS则采用反射式投射，光利用效率可达40％以上，而且它的最大优势是可利广泛使用、便宜的CMOS制作技术来生产，毋需额外的投资，并可随半导体制程快速的微细化，逐步提高解析度。
传统根据Zernike参数模型所重构的相位误差取决于所使用的参数阶数，低阶参数无法精确的还原相位误差；使用高阶参数造成建模难度高，匹配时间长，也很难保证能够精确的进行还原。传统相位补偿技术需要针对特定的光学系统进行定制化的分析，建模，以及补偿，可移植性差。如CN201210558520.5公开了一种基于Zernike共轭组合模型的人眼像差补偿方法，首先根据Zernike模式各项在单位圆以及同心光瞳圆域内的相关性矩阵构建了Zernike模式组合模型，再根据模式组合前后波前像差RMS值的降幅比参数确定了组合模型近似满足共轭条件的系数分配关系，即Zernike模式共轭组合模型，同时通过光学质量客观评价参数、MTF函数、光学系统模拟成像等方法验证了Zernike模式共轭组合模型对光学质量的提升能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题和目的是：提出一种基于空间光调制器的全自动光学相差补偿系统，高精度补偿的空间光调制器包括相应的光学系统构架以及像素级别的补偿方法及得到的系统。克服现有低阶参数无法精确的还原相位误差；使用高阶参数造成建模难度高，匹配时间长，也很难保证能够精确的进行还原的不足；克服传统的相位补偿技术步骤较多，周期较长，难以实现自动化的补偿，因此难以标准化，难以进行产业化推广的不足。
本发明技术方案是，一种基于硅基液晶(LCOS)的全息三维干涉仪的全自动相位误差修正方法，基于(高质量)LCOS和全息干涉仪系统中的光学器件光路，在全息干涉仪系统搭建所引入的波前相位误差，进行自动化修正；
在LCOS上加上一个相位光栅，相位光栅是由LCOS像素排列的，每个像素均要经过全息三维干涉仪的全自动相位误差修正，修正的方法如下：在LCOS上加入相位光栅的参数由下述方法修正，在LCOS上加载相位光栅，而此次加载的光栅仅包含原有相位光栅的很小一部分，很小一部分指一个像素或者一个像素团(MxN个像素)，而把原有相位光栅剩余的部分清零，即原有光栅剩余的部分不加载任何信息，那么将会得到大部分的光将汇聚到中心焦点处，而少部分的光，因经过光栅的作用，将汇聚到平移后的焦点处；进行像素级(像素团级)的相位调制时，令整个全息图为G，而全息图中的任意像素点(像素团)为G(x,y),x,y为全息图的行列值；当选取一个确定位置的像素作为参考点，而将产生全息图的剩下像素点的相位值清零；此时，在焦面上得到两个焦点，一个是能量较小的，由G(1,1)产生的平移焦点；而另一个则是包含绝大多数能量，由剩下G-G(1,1)像素所产生的中央焦点，保持确定位置的像素(像素团G(1,1))始终加载相位光栅，对剩下的所有像素(像素团)，依次进行逐一的调控；选取G(x,y)作为被调控像素，在G(x,y)上加载光栅相位值，此时平移焦点的接收的能量决定于确定位置的像素G(1,1)以及G(x,y)这两个像素的复振幅相加，平移焦点的接收的能量在0到E1+E(x,y)之间波动，取决于经过这两个像素调控的光列通过整个光学系统之后，到达聚焦点处的相位差；如果相位差为0或者2π的整数倍，则将达到最大能量值；相反如果相位差为π的奇数倍时，能量为0调控G(x,y)的相位值，使其从0到最大值之间进行变换，并依次观察焦点处能量的变化，当能量达到最大值时，保留对应的G(x,y)的相位值并进行记录，该值即为像素G(x,y)在该系统下的相位补偿值。
在完成一个像素点的调控后，进行下一个像素点的调控，值到遍历完整个相位光栅，并将所记录的每一个像素点上的相位值组合形成新的相位光栅(图)。将新的得到的相位光栅图与原有的相位光栅图进行相减，则能够得到现有光学系统的相位补偿值。
本发明中的LCOS器件，可由其他空间光调制器替代，比如微透镜整列DMD等。
所述的基于硅基液晶(LCOS)的全息干涉仪的全自动相位误差修正方法得到的系统，原有的全息干涉仪系统中，在样品位置处，放置不反光材料，同时在原有的探测器的位置处，加入新的透镜，而将探测器位置后移至透镜的焦平面处，LCOS上加上一个相位光栅，相位光栅是由LCOS像素排列的，每个像素均要经过基于硅基液晶(LCOS)的全息三维干涉仪的全自动相位误差修正的新的相位光栅。将通过电脑上的预存程序，进行自动的像素级别的调控，同时从探测器处得到相应的能量变化，并将能量值返回电脑预存程序，实现反馈路径。
有益效果：本发明不通过理论建模，而是进行像素或像素团级别的调整并得到反馈以确定最优值，得到新的相位光栅，并最终获得整个波前的修正阵列。传统的根据Zernike参数模型进行的修正方法，只能根据经典的误差模型进行低阶到高阶的误差仿真以及叠加，从而以靠近所检测到的相位误差值。但光学系统的相位误差往往很复杂，对别是针对低成本全息干涉仪来说，其相位误差值更大，为了实现准确的相位补偿，往往需要使用更高阶的Zernike模型参数，一方面难度大，另一方面往往也难以实现较高精度的还原。而本发明所提出的方法，直接通过像素或像素团级别的调整以及反馈循环，对相位误差进行直接的补偿，能够适应误差值更大的相位补偿，可以有效地适用于低成本地全息干涉仪，并可实现接近于器件理论值的高精度相位补偿。
本发明无需理论分析建模，能够实现比传统方式更高精度的相位误差补偿，可达到器件的理论补偿极限；可适用于误差大，或误差更复杂的光学系统，如低成本的全息干涉仪系统；本发明的采用的系统搭建简单，能适用于不同的全息干涉仪；本发明系统一旦搭建完成，可自动进行快速的系统相位误差检测；本发明的系统的标准化程度高，可进行产业化推广。
附图说明
图1为透镜聚光示意图；
图2光路中焦平面处所聚焦形成的焦点能量分布图，其中(a)LCOS未加载以及(b)加载相位光栅的光路图；
图3像素/像素团级相位调制示意图，其中(a)仅有参考像素G(1,1)加载相位光栅的情况以及(b)在参考像素G(1,1)以及调制像素G(x,y)均加载相位光栅的情况；
图4基于LCOS的全息干涉仪系统示意图；
图5基于LCOS的全息干涉仪补偿系统结构图。
图6为本发明方法的检测流程图。
具体实施方式
以下根据附图进一步说明本发明的工作过程：
(1)基础原理
当列波在空间中相遇的时候，如果满足一定的条件，两列波会进行叠加从而形成新的波形，这个过程即为光的干涉。当两列波来自于同一光源，并且经过的光程相同，或者相位差为0或2Π的整数倍时，这两列波会进行相加实现能量的最大，这个过程即为光的干涉相加，如公式1所示：
Figure BDA0002448440220000041
E1、E2、φ1、φ2、Δφ分别是两列波的振幅、相位和相位差。同理，如果两列光的相位差为π的整数倍时，则会产生干涉相消。
在光学系统中，理想光学透镜的聚光，是一个典型的同相位相加，得到能量最大值的情景，如图1所示。
如果我们让等相位面通过LCOS并反射，再通过透镜，我们会得到与图1类似的通相位相加后，实现能量最大值的焦点。如果此时我们在LCOS上加入一个相位光栅，焦点则会在焦平面上进行相应的移动，如图2所示。
对于理想光学系统来说，在焦平面处所聚焦形成的焦点能量分布为理想的系统点扩散函数(Point Spread Function,简称PSF)。在实际的光学系统中，等相位面在经过各种光学器件后，会引入相应的相位误差，从而当原本同相位的波前到达透镜时，在焦平面处所汇聚的点不再是理想的PSF，而会产生形变。通过对PSF的观察，我们能够对系统误差补偿效果进行评价。
而在LCOS上加入相位光栅，将焦点在焦平面上进行平移，是为了对LCOS进行像素级的修正。接下来我们将阐述修正的方法。我们仍旧在LCOS上加载相位光栅，而此次加载的光栅仅包含原有光栅的很小一部分，如只保留一个像素或者一个像素团(MxN个像素)，而把剩余的部分清零，即不加载任何信息，那么我们将会得到大部分的光将汇聚到中心焦点处，而少部分的光，因经过光栅的作用，将汇聚到平移后的焦点处，如图3(a)、3(b)所示。
现在，我们假设进行像素级的相位调制，像素团级的相位调制同理可得。我们令整个全息图为G，而全息图中的任意像素点为G(x,y),x,y为全息图的行列值。此时我们需要选取一个像素作为参考点，比如如图3所示，我们选取G(1,1)为参考点，而将全息图剩下的像素点的相位值清零。此时，在焦面上，我们将得到两个焦点，一个是能量较小的，由G(1,1)产生的平移焦点；而另一个则是包含绝大多数能量，由剩下G-G(1,1)像素所产生的中央焦点，如图3(a)所示。在此基础上，我们保持G(1,1)始终加载相位光栅，对剩下的所有像素，进行逐一的调控。
例如，我们选取G(x,y)作为调控像素，在G(x,y)上加载光栅相位值，此时平移焦点的能量决定于G(1,1)以及G(x,y)这两个像素的复振幅相加，由公式(1)我们可知，此焦点的能量可能在0到E1+E(x,y)之间波动，取决于经过这两个像素调控的光列，通过整个光学系统之后，到达聚焦点处的相位差。如果相位差为0或者2π的整数倍，则将达到最大能量值；相反如果相位差为π的整数倍(π的奇数倍)时，能量为0。因此，我们调控G(x,y)的相位值，使其从0到最大值之间进行变换，并依次观察焦点处能量的变化，当能量达到最大值时，我们保留对应的相位值并进行记录，该值即为像素G(x,y)在该系统下的补偿值。
在完成一个像素点的调控后，我们进行下一个像素点的调控，值到遍历完整个相位光栅图，并将所记录的每一个像素点上的相位值组合形成新的相位光栅图。将新的得到的相位光栅图与原有的相位光栅图进行相减，则能够得到现有光学系统的相位补偿值，如公式2所示：
Figure BDA0002448440220000061
得到的相位补偿值阵列制备成LCOS上加入相位光栅”：LCOS上能加载相位图，如M×N像素点阵的LCOS能加载M×N像素的相位图，原有光栅图中的值为M×N理想光栅图T1，本发明的一种做法是针对每个像素(或像素团级)进行相位调制优化调整，调整后得到新的M×N的光栅图T2，ΔT＝T2-T1，即为M×N的补偿相位图。具体使用时，如果LCOS上需要加载任意相位图T，如果不补偿直接加载T，会得到受系统误差影响的结果；但如果LCOS加载T+ΔT，则能够得到经过系统误差补偿后的结果。M、N为像素点阵的行与列数，是正整数。
(2)全息干涉仪的补偿实现
基于LCoS的全息干涉仪，尤其是三维全息干涉仪，一般包括光源，准直透镜/透镜组，分光镜，LCoS，待测样品，以及光学传感器CCD，其一典型的系统构建如图4所示.在该基础上我们对系统进行微调，以实现补偿，调整后的系统如图5所示。
本发明中的LCOS器件，可由其他空间光调制器替代，比如微透镜整列DMD等。如图5所示，在原有的全息干涉仪框架下我们在样品位置处，放置不反光材料，同时在原有的探测器的位置处，加入新的透镜，而将探测器位置后移至透镜的焦平面处。如果需要，如系统光能量较低的情况下，可使用灵敏度更高的光能探测器来取代图像探测器。除此之外，没有其他的改变。在系统搭建好了以后，将通过电脑上的预存程序，根据在技术原理中所提到的方法，进行自动的像素级别的调控，同时从探测器处得到相应的能量变化，并将能量值返回电脑预存程序，实现反馈路径。同时，该发明的一个优势在于，一旦预设程序设置完成，针对不同的全息干涉仪，能够实现全自动的检测。相应的程序流程如图6所示。
通过该自动相位补偿方法，可以补偿掉该光学系统中绝大多数的误差，即来自于光源，透镜1，分光镜，LCOS部分的误差。
因LCOS无法对样品探测光路中的光波进行调控，因此由透镜2所产生的相位误差无法进行修正，但这一部分所引入的误差，占整个系统的误差的比例较小。在实际使用中，我们可以采用更高质量的透镜2，来减小其所引入的误差值。本发明中的LCOS器件，可由其他空间光调制器替代，比如微透镜整列DMD等。
本发明的关键技术点是基于空间光调制器的全自动光学相差补偿系统，即包括相应的光学系统构架以及像素级别的补偿方法。

Claims (4)

1.一种全息干涉仪的全自动相位误差修正方法，其特征是，基于LCOS，对全息干涉仪系统中由光学器件，以及全息干涉仪系统搭建所引入的波前相位误差，进行自动化修正，在LCOS上加上一个相位光栅，相位光栅是由LCOS像素排列的，每个像素均要经过基于硅基液晶(LCOS)的全息三维干涉仪的全自动相位误差修正，修正的方法如下：
在LCOS上加入相位光栅的参数由下述方法修正，在LCOS上加载相位光栅，而此次加载的光栅仅包含原有相位光栅的很小一部分，很小一部分指一个像素或者一个像素团(MxN个像素)，而把原有相位光栅剩余的部分清零，即原有光栅剩余的部分不加载任何信息，那么将会得到大部分的光将汇聚到中心焦点处，而少部分的光，因经过光栅的作用，将汇聚到平移后的焦点处；进行像素级或像素团级的相位调制时，令整个全息图为G，而全息图中的任意像素点或像素团为G(x,y),x,y为全息图的行列值；当选取一个确定位置的像素作为参考点，而将产生全息图的剩下像素点的相位值清零；此时，在焦面上得到两个焦点，一个是能量较小的，由G(1,1)产生的平移焦点；而另一个则是包含绝大多数能量，由剩下G-G(1,1)像素所产生的中央焦点，保持确定位置的像素或像素团G(1,1)始终加载相位光栅，对剩下的所有像素或像素团，依次进行逐一的调控；选取G(x,y)作为被调控像素，在G(x,y)上加载光栅相位值，此时平移焦点的接收的能量决定于确定位置的像素G(1,1)以及G(x,y)这两个像素的复振幅相加，平移焦点的接收的能量在0到E1+E(x,y)之间波动，取决于经过这两个像素调控的光列通过整个光学系统之后，到达聚焦点处的相位差；如果相位差为0或者2π的整数倍，则将达到最大能量值；相反如果相位差为π的奇数倍时，能量为0调控G(x,y)的相位值，使其从0到最大值之间进行变换，并依次观察焦点处能量的变化，当能量达到最大值时，保留对应的G(x,y)的相位值并进行记录，该值即为像素G(x,y)在该系统下的相位补偿值；在完成一个像素点的调控后，进行下一个像素点的调控，值到遍历完整个相位光栅，并将所记录的每一个像素点上的相位值组合形成新的相位光栅。
2.根据权利要求1所述的基于硅基液晶(LCOS)的全息干涉仪的全自动相位误差修正方法，其特征是，将所得到的新相位光栅图与原有的相位光栅图按像素进行相减，所得到的包含每个像素点相位差值的相位图，即为待测光学系统的特征相位补偿图。
3.根据权利要求1所述的基于硅基液晶(LCOS)的全息干涉仪的全自动相位误差修正方法，其特征是，LCOS器件由微透镜整列DMD替代。
4.根据权利要求1-3之一所述的基于硅基液晶(LCOS)的全息干涉仪的全自动相位误差修正方法得到的系统，其特征是，原有的全息干涉仪系统中，在样品位置处，放置不反光材料，同时在原有的探测器的位置处，加入新的透镜，而将探测器位置后移至透镜的焦平面处，LCOS上加上一个相位光栅，相位光栅是由LCOS像素排列的，每个像素均要经过基于硅基液晶(LCOS)的全息三维干涉仪的全自动相位误差修正得到的新的相位光栅。
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