CN111562089B - 一种微光学元件透射相位的检测方法 - Google Patents

一种微光学元件透射相位的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于微光学元件高精度检测技术领域，具体涉及一种微光学元件透射相位的检测方法。为解决微光学元件透射相位信息的高精度检测问题。本发明采用的方法首先通过软件程序设计出微光学元件理想全息图，加载在空间光调制器上，通过计算机进行调制，将调制后的参考光路与物光干涉得到新的全息图。根据液晶空间光调制器的相位调制范围，使其作为相位补偿器，最终得到的新全息图实现了相位信息的补偿。

Description

一种微光学元件透射相位的检测方法
技术领域
本发明属于微光学元件高精度检测技术领域，具体涉及一种微光学元件透射相位的检测方法。
背景技术
随着微电子技术和光通信技术的快速发展，微加工工艺和微光学元件得到广泛应用。由于微光学元件具有重量轻、体积小、易于集成等优点而受到广泛的关注。目前对微光学器件表面粗糙度有较高要求，且一般为三维结构，因此针对微光学元件的相位检测成为当前研究的热点。
当前定量检测微光学元件的三维面形信息成为光学检测系统中的重要技术问题。对于微光学元件高精度检测问题，目前光学探针式测量方法以聚集光束作为探针，通过测量光程差来检测表面面形信息，此方法以探针的方式获得点数据，要结合高准确度的扫描设备才能实现全场扫描，在实验操作过程中无法实现无接触测量，对元件表面具有一定损坏。随后提出了原子力显微镜、白光干涉仪等设备都可检测出微光学元件三维信息，但其逐点扫描的方式以及繁琐的操作过程降低了检测的效率，并且此方法侧重检测微光学元件三维轮廓，不能准确测量相位信息。因此实现非接触测量、精度高和响应速度快的要求显得尤为重要。
数字全息技术是近年来发展的一种新型全息干涉技术，可通过单帧图像快速恢复物体的三维形貌，它通过电荷耦合器件记录全息图，并利用计算机数值模拟光学衍射过程，从而再现原始物光场的波前分布，实现振幅及相位的记录、存储和再现过程的数字化，具有全视场、非接触、无损伤的优势。但目前数字全息技术的主要缺点是，由于图像采集时高频信息的丢失，导致成像分辨率低，在测量具有较大起伏轮廓信息的三维物体时，测试结果会出现物体的相位信息不连续，导致相位重建精度不高。目前北京大学杨光临等人提出“基于相移干涉的数字全息图采集处理方法”的发明专利，此发明解决了如何降低或消除直流项和共轭像的问题，提高数字全息技术在采集和再现过程中图像质量的问题。上海大学周文静等人提出了“强度传输方程实现单幅数字全息图较大相位重建方法”的发明专利，其发明提供了对较大相位进行快速重建的方法，克服了数字全息技术只能检测深度信息微米范围的问题，并减少误差量的引入，但上述专利针对三维物体的相位重建精度信息没有改善。就此问题北京工业大学王喆等人提出“双波长偏振复用数字全息成像系统及方法”的发明专利，此专利实现对表面形貌复杂或具有较大起伏的待测物的实时三维重构像，但通常双波长数字全息光路是将不同波长的全息图分路记录，存在两光路记录的全息图位置不一致问题，且需要针对单次记录的实验结果多次调整才能得到较准确的被测物相位信息，虽然可以重建高精度信息，但是存在着操作复杂，耗时长的弊端。因此相位信息的高精度重建以及高效快速检测是要解决的重点问题。
发明内容
鉴于此，为解决微光学元件透射相位信息的高精度检测问题，本发明给出了一种微光学元件透射相位的检测方法。
为了达到本发明的目的，本发明采用以下技术方案：一种微光学元件透射相位的检测方法，包括以下步骤：
步骤一：建立相位补偿数字全息测量光路
搭建马赫泽德干涉光路，在此光路上引入相位补偿系统，测量光路由激光器产生的激光经扩束准直系统后，通过分光棱镜分为两路：一路为物光光束，在反射镜进行转向，光线垂直入射待测微光学元件到分光棱镜；另一路为参考光光束，光线扩束准直到反射镜，经相位补偿系统后携带理想灰度图相位波面信息；两束光通过分光棱镜合束后产生全息干涉，由CCD相机的靶面记录，最终在计算机进行相位重建；
步骤二：利用空间光调制器构建补偿相位
根据空间光调制器的相位与灰度理论关系，将设计的微光学元件理想相位数据转换成0～255的灰度编码图，将编码图加载到液晶空间光调制器，获得空间光调制器输出理想灰度图相位波面的相位值为σ(t)；
步骤三：补偿相位与被测件相位的对准
通过计算机控制参考光路上加载在液晶空间光调制器上的理想全息图位置，使微光学元件上的相位信息与物光光路上的光学元件对准，进行补偿，所述对准过程首先遮挡参考光路，将微光学元件形貌直接成像在CCD靶面上，在计算机上呈现强度图像，进行位置标定；然后将物光光路遮挡，参考光路成像，使得空间光调制器上的理想全息图成像在CCD靶面上，通过计算机控制其位置，保证与微光学元件位置一致，最后将物光路与参考光路发生干涉，实现图像重合对准；
步骤四：数字全息图的采集及相位重建：
实现对准后，CCD靶面上进行采集，最终计算机得到经空间光调制器调制后的全息图；然后通过角谱法进行相位重建，角谱法是衍射在频域的一种表述形式，传播计算过程无近似，减少近似产生误差，此方法描述衍射过程较为准确，其在像面上的再现物光场复振幅分布
Figure GDA0002566223370000041
表示为：
Figure GDA0002566223370000042
上式xy为记录全息图的CCD光敏面的平面坐标，z0为再现距离，I(x，y)为全息过程物光与参考光发生干涉后强度分布，C(x，y)为再现光波，F、F-1分别为二维正逆傅里叶变换，λfx、λfy为像面的频域坐标，再现像复振幅分布
Figure GDA0002566223370000043
经数值化后分离出相位信息：
Figure GDA0002566223370000044
步骤五：获得被测件的绝对相位
通过空间光调制器的调制补偿后，最终所要测得微光学元件形貌深度的相位信息为：
σ＝Δσ(x，y)+σ(t) (3)。
本发明采用基于空间光调制器的数字全息方法实现微光学元件的相位补偿；液晶空间光调制器是应用在波前控制的理想器件，可在数字全息光路的基础上实现高分辨率、高精度、高效的相位调制。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1.本发明可通过相位补偿编码图案的设计，实现任意形状的补偿相位，适用于不规则微光学元件的透射相位检测；
2.本发明根据已知精确的相位信息转换成相位补偿编码图案来实现被测样品的相位补偿，此过程完全用计算机实现，在硬件上不用调节，操作简单方便；
3.本发明检测方法所使用的设备结构简单，具有非侵入、非接触、快速响应等特点，且通过单帧图像恢复被测件的三维相位，能实现动态测量。
附图说明：
图1为微光学元件相位补偿的流程图；
图2为基于空间光调制器的数字全息测量系统结构示意图；
图3为相位补偿系统光路示意图；
图4为输入计算机的0～255范围灰度变化图；
图5为经空间光调制器调制后的干涉条纹移动量；
图6为微光学元件表面形貌(凹槽)图；
图7为设计加载在空间光调制器上的编码图样。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
一种微光学元件透射相位的检测方法的流程参见图1，首先通过软件程序设计出微光学元件理想全息图，加载在空间光调制器上，通过计算机进行调制，将调制后的参考光路与物光干涉得到新的全息图。根据液晶空间光调制器的相位调制范围，使其作为相位补偿器，最终得到的新全息图实现了相位信息的补偿。
具体包括以下步骤：
步骤一：建立相位补偿数字全息测量光路
参见图2，搭建马赫泽德干涉光路，激光器1的出射光路上依次设置有扩束准直系统2和分光棱镜3，分光棱镜3的物光光路上设置有反射镜6、待测微光学元件7、分光棱镜8；分光棱镜3的参考光光路上设置有反射镜4，反射镜4的反射光路上设置有相位补偿系统5和分光棱镜8。分光棱镜8产生全息干涉送至CCD相机9，CCD相机9与计算机10相接。如图3所示，相位补偿系统5包括依次排布的起偏器、空间光调制器和检偏器。
在马赫泽德干涉光路上引入相位补偿系统5，相位补偿通过空间光调整器，可根据不同被测件，实时进行对应设计，以实现更为精确的测量。测量光路由激光器1产生的激光经扩束准直系统2后，通过分光棱镜3分为两路：一路为物光光束，在反射镜6进行转向，光线垂直入射待测微光学元件7到分光棱镜8；另一路为参考光光束，光线扩束准直2到反射镜4，经相位补偿系统5后携带理想灰度图相位波面信息。两束光通过分光棱镜8合束后产生全息干涉，由CCD相机9的靶面记录，最终在计算机10进行相位重建；
以上光路中的激光器使用的是波长为632.8nm的He-Ne激光器，扩束系统对光斑产生3倍的扩束效果，空间光调制器采用透射式液晶空间光调制器。
步骤二：利用空间光调制器构建补偿相位
相位补偿系统5中的空间光调制器的作用是实现强度或相位调制，但是目前在全息方面，大都使用空间光调制器加载全息图，用于全息再现。本发明则利用此器件实现微光学元件的相位补偿。
本实施例中的相位补偿系统5中从左至右分别为起偏器、空间光调制器和检偏器，三个器件组合进行相位调制。光束入射到空间光调制器中，在不同电场的作用下其内部液晶扭曲角度会不一致，因此要控制加载在空间光调制器上的电压，其幅值，相位和偏振态才发生改变。
根据琼斯矩阵，光经过起偏器、液晶空间光调制器和检偏器后，相位及光强都发生了改变,其强度透射率为：
Figure GDA0002566223370000071
式中：β＝πd(ne-no)/λ，
Figure GDA0002566223370000072
液晶分子寻常折射率为no，非常折射率为ne；两个偏振片的转角为
Figure GDA0002566223370000073
选择合适的
Figure GDA0002566223370000074
使得幅值变化量保持一致，相位随电压(灰度图像)不同发生变化，实现纯相位调制，相位延迟为：
Figure GDA0002566223370000075
当液晶屏加入电压时，液晶分子电压方向倾斜角为θ，其角度与电压存在以下函数关系：
Figure GDA0002566223370000081
其中，V为电压值，Vc为液晶分子偏转时的阈值电压，a为定义在输入电压与阈值电压差值的相关系数。当V小于等于Vc时θ，当V大于Vc时存在上述关系。
当液晶分子发生倾斜时，改变其液晶双折射，得到ne与θ的函数关系为：
Figure GDA0002566223370000082
设上式(2)中
Figure GDA0002566223370000083
若设施加在液晶空间光调制器的灰度图灰度值为g,定义电压与输入灰度值为线性关系：
V＝kg (6)
其中k为相关系数。则灰度值的输入对应的相位延迟量可表示为：
Figure GDA0002566223370000084
根据上述理论探究空间光调制器相位调制关系，加载在空间光调制器上的灰度变化图左侧一直为黑色保持不变(g1＝0)，右边的图像灰度值取值g2＝0、25、75、125、150、160、175、200、225和255，图4给出其中几幅典型值的图样。将这些图像依次输入到空间光调制器上，会有明显的相移量，如图5所示。根据具体干涉条纹数，计算条纹周期数据，通过上述理论算出具体相移量及相移量与灰度值变化量之间的关系。
根据空间光调制器的相位与灰度理论关系，将设计的微光学元件理想相位数据转换成0～255的灰度编码图，本实施例中，所说的微光学元件表面为凹槽状，其形貌参见图6。转换后的编码图如图7所示，将编码图加载到液晶空间光调制器，改变其参考光路的波面，对相位信息进行修正，提高被测物的相位精度，实现准确测量。获得空间光调制器输出理想灰度图相位波面的相位值为σ(t)，即所设计微光学元件的理论相位。
步骤三：补偿相位与被测件相位的对准
通过计算机控制参考光路上加载在液晶空间光调制器上的理想全息图位置，使微光学元件上的相位信息与物光光路上的光学元件对准，进行补偿。其对准过程首先遮挡参考光路，将微光学元件形貌直接成像在CCD靶面上，在计算机上呈现强度图像，进行位置标定；然后将物光光路遮挡，参考光路成像，使得空间光调制器上的理想全息图成像在CCD靶面上，通过计算机控制其位置，保证与微光学元件位置一致，最后将物光路与参考光路发生干涉，实现图像重合对准。
步骤四：数字全息图的采集及相位重建
实现对准后，CCD靶面上进行采集，最终计算机得到经空间光调制器调制后的全息图。然后通过角谱法进行相位重建，角谱法是衍射在频域的一种表述形式，传播计算过程无近似，减少近似产生误差，此方法描述衍射过程较为准确，其在像面上的再现物光场复振幅分布
Figure GDA0002566223370000101
表示为：
Figure GDA0002566223370000102
上式xy为记录全息图的CCD光敏面的平面坐标，z0为再现距离，I(x，y)为全息过程物光与参考光发生干涉后强度分布，C(x，y)为再现光波，F、F-1分别为二维正逆傅里叶变换，λfx、λfy为像面的频域坐标。再现像复振幅分布
Figure GDA0002566223370000103
经数值化后分离出相位信息：
Figure GDA0002566223370000104
步骤五：获得被测件的绝对相位
通过SLM的调制补偿后，最终所要测得微光学元件形貌深度的相位信息为：
σ＝Δσ(x，y)+σ(t) (10)。

Claims (1)

1.一种微光学元件透射相位的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：建立相位补偿数字全息测量光路
搭建马赫泽德干涉光路，在此光路上引入相位补偿系统(5)，测量光路由激光器(1)产生的激光经扩束准直系统(2)后，通过第一分光棱镜(3)分为两路：一路为物光光束，在第二反射镜(6)进行转向，光线垂直入射到待测微光学元件(7)后，射到第二分光棱镜(8)；另一路为参考光光束，透过第一分光棱镜(3)后的光线入射到第一反射镜(4)，经相位补偿系统(5)后携带理想灰度图相位波面信息；两束光通过第二分光棱镜(8)合束后产生全息干涉，由CCD相机(9)的靶面记录，最终在计算机(10)进行相位重建；
相位补偿系统( 5) 包括依次排布的起偏器、液晶空间光调制器和检偏器；
步骤二：利用液晶空间光调制器构建补偿相位
根据液晶空间光调制器的相位与灰度理论关系，将设计的微光学元件理想相位数据转换成0～255的灰度编码图，将编码图加载到液晶空间光调制器，液晶空间光调制器上输出的理想灰度图对应波面的相位值为σ(t)；
步骤三：补偿相位与被测件相位的对准
通过计算机控制参考光路上加载在液晶空间光调制器上的理想全息图位置，使微光学元件上的相位信息与参考光路上的光学元件对准，进行补偿，对准过程首先遮挡参考光路，将微光学元件形貌直接成像在CCD靶面上，在计算机上呈现强度图像，进行位置标定；然后将物光光路遮挡，参考光路成像，使得液晶空间光调制器上的理想全息图成像在CCD靶面上，通过计算机控制其位置，保证与微光学元件位置一致，最后将物光光路与参考光路发生干涉，实现图像重合对准；
步骤四：数字全息图的采集及相位重建：
实现对准后，CCD靶面上进行采集，最终计算机得到经液晶空间光调制器调制后的全息图；然后通过角谱法进行相位重建，角谱法是衍射在频域的一种表述形式，传播计算过程无近似，减少近似产生误差，此方法描述衍射过程较为准确，其在像面上的再现物光场复振幅分布
Figure FDA0003553449090000021
表示为：
Figure FDA0003553449090000022
上式xy为记录全息图的CCD光敏面的平面坐标，z0为再现距离，I(x,y)为全息过程物光与参考光发生干涉后强度分布，C(x,y)为再现光波，F、F-1分别为二维正逆傅里叶变换，λfx、λfy为像面的频域坐标，再现物光场复振幅分布
Figure FDA0003553449090000023
经数值化后分离出相位信息：
Figure FDA0003553449090000024
步骤五：获得被测件的绝对相位
通过液晶空间光调制器的调制补偿后，最终所要测得微光学元件形貌深度的相位信息为：
σ＝Δσ(x，y)+σ(t) (3)。
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