基于液晶空間光調(diào)制器非球面鏡計(jì)算全息干涉檢測(cè)方法
【專利摘要】基于液晶空間光調(diào)制器非球面鏡計(jì)算全息干涉檢測(cè)方法，涉及光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域。本發(fā)明利用數(shù)字相移干涉儀提供光源、成像系統(tǒng)和干涉圖分析軟件，引入液晶空間光調(diào)制器作為計(jì)算全息的載體，通過(guò)計(jì)算全息干涉法，實(shí)現(xiàn)非球面反射鏡的在線檢測(cè)。測(cè)試光路中引入零位補(bǔ)償透鏡補(bǔ)償非球面鏡的球差，而殘余波像差則通過(guò)ZEMAX光線追跡得到，通過(guò)波像差的Zernike系數(shù)和Zernike表達(dá)式，獲得其數(shù)學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算全息編碼，將其制作成計(jì)算全息圖加載到液晶空間光調(diào)制器上，經(jīng)過(guò)調(diào)制形成參考光，并與測(cè)試光干涉。該方法利用數(shù)字相移干涉儀強(qiáng)大的干涉圖分析功能和液晶空間光調(diào)制器實(shí)時(shí)顯示計(jì)算全息圖的功能，能夠?qū)崟r(shí)地進(jìn)行非球面鏡的在線檢測(cè)。
【專利說(shuō)明】基于液晶空間光調(diào)制器非球面鏡計(jì)算全息干涉檢測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 非球面光學(xué)元件由于具有可消除各種像差，減少光能損失，獲得高品質(zhì)的圖像等 良好的光學(xué)特性，被廣泛應(yīng)用到天文、航空、航天、軍事、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域中。非球面鏡的大 量使用促使非球面光學(xué)元件的加工需求飛速增長(zhǎng)，但是非球面檢測(cè)技術(shù)的水平卻是制約著 非球面鏡廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素，因此非球面檢測(cè)技術(shù)的研究已經(jīng)成為現(xiàn)代光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域的 熱點(diǎn)問(wèn)題。目前非球面檢測(cè)技術(shù)中計(jì)算全息干涉法以其測(cè)量精度高、靈敏度高的優(yōu)勢(shì)成為 非球面檢測(cè)的主要途徑。
[0003] 發(fā)明專利CN 102519392 A《一種大口徑凸非球面的全孔徑檢測(cè)方法》提出了利 用透鏡凹面將中心和邊緣分別刻蝕曲面全息圖進(jìn)行非球面測(cè)量的方法，這種方法不需要高 精度的照明物鏡還能加大全息圖的最小特征尺寸；2009年A. G. Poleshchuk等人在OPTICS EXPRESS上發(fā)表〈〈Combined computer-generated hologram for testing steep aspheric surfaces》，提出將雙重計(jì)算全息圖刻蝕在光學(xué)全息片上進(jìn)行非球面檢測(cè)，由相位全息圖產(chǎn) 生測(cè)試波前，振幅全息圖產(chǎn)生參考波前，這種組合全息很大程度上消除了基板的波前畸變， 提高了測(cè)試精度。但是上述提到的方法在檢測(cè)非球面時(shí)都需要針對(duì)被測(cè)非球面制作特定的 全息片，加工周期長(zhǎng)，成本高，靈活性差。
[0004] 發(fā)明專利CN 102374851 A《實(shí)時(shí)部分零位補(bǔ)償光學(xué)零位非球面面型檢測(cè)方法》和 實(shí)用新型CN 2679645Y《用液晶顯示器件的計(jì)算全息非球面干涉測(cè)量?jī)x》提出了用液晶器 件作為計(jì)算全息圖的載體，通過(guò)與零位補(bǔ)償鏡相結(jié)合對(duì)非球面波前進(jìn)行零位補(bǔ)償，以擴(kuò)大 非球面測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。其存在的問(wèn)題是：檢測(cè)裝置中光學(xué)元件較多，不但損失光能較大， 而且增加了調(diào)校光路的難度；透射式液晶器件衍射效率和分辨率較低；并且上述測(cè)量光路 需要自行開(kāi)發(fā)干涉圖處理軟件來(lái)分析測(cè)量結(jié)果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是為了解決光學(xué)全息片加工周期長(zhǎng)、加工成本高、以及無(wú)法實(shí)現(xiàn)非球面加 工過(guò)程的在線檢測(cè)的問(wèn)題；單純采用數(shù)字相移干涉儀只能測(cè)量淺度非球面的問(wèn)題；以及現(xiàn) 有的非球面檢測(cè)裝置中光學(xué)元件較多，光路調(diào)校難，光能衰減大，分析干涉圖難等問(wèn)題，提 出基于液晶空間光調(diào)制器非球面鏡計(jì)算全息干涉檢測(cè)方法。
[0006] -種基于液晶空間光調(diào)制器非球面鏡計(jì)算全息干涉檢測(cè)方法，它由以下步驟實(shí) 現(xiàn)：
[0007] 數(shù)字相移干涉儀1發(fā)出的激光經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)平面參考鏡2透射和光闌3限束后，入射至 分光鏡4,經(jīng)所述分光鏡4分束成透射光和反射光，所述透射光經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡5擴(kuò)束和零位 補(bǔ)償透鏡6聚焦后入射至待檢非球面鏡7,并經(jīng)待檢非球面鏡7反射形成測(cè)試光，所述測(cè)試 光經(jīng)零位補(bǔ)償透鏡6和擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡5,返回至分光鏡4 ;
[0008] 所述反射光經(jīng)偏振片8入射至液晶空間光調(diào)制器9,經(jīng)液晶空間光調(diào)制器9調(diào)制獲 得參考光；所述參考光經(jīng)偏振片8返回至分光鏡4。所述測(cè)試光與參考光在分光鏡4疊加 發(fā)生干涉，形成干涉光，所述干涉光經(jīng)光闌3和標(biāo)準(zhǔn)平面參考鏡2,返回至數(shù)字相移干涉儀1 的成像系統(tǒng)。
[0009] 所述擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡5和零位補(bǔ)償透鏡6的口徑和焦距需要利用ZEMAX軟件對(duì)測(cè)試臂 光路進(jìn)行光線追跡并優(yōu)化得到；
[0010] 擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡5與待檢非球面鏡7之間的光路為測(cè)試臂光路，采用ZEMAX軟件對(duì)測(cè) 試臂光路進(jìn)行光線追跡并優(yōu)化，使得測(cè)試臂光路產(chǎn)生的波像差的峰谷值能夠滿足液晶空間 光調(diào)制器9的有效波前調(diào)制范圍，確定測(cè)試臂光路波像差的Zernike系數(shù)及其Zernike表 達(dá)式；
[0011] Zernike表達(dá)式通式為：
[0012]

【權(quán)利要求】
1. 基于液晶空間光調(diào)制器非球面鏡計(jì)算全息干涉檢測(cè)方法，其特征是：它由以下步驟 實(shí)現(xiàn)： 數(shù)字相移干涉儀（1)發(fā)出的激光經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)平面參考鏡（2)透射和光闌（3)限束后，入射 至分光鏡（4)，經(jīng)所述分光鏡（4)分束成透射光和反射光，所述透射光經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡（5)擴(kuò) 束和零位補(bǔ)償透鏡（6)聚焦后入射至待檢非球面鏡（7)，并經(jīng)待檢非球面鏡（7)反射形成測(cè) 試光，所述測(cè)試光經(jīng)零位補(bǔ)償透鏡（6)和擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡（5)，返回至分光鏡（4); 所述反射光經(jīng)偏振片（8)入射至液晶空間光調(diào)制器（9)，經(jīng)液晶空間光調(diào)制器（9)調(diào) 制獲得參考光；所述參考光經(jīng)偏振片（8)返回至分光鏡（4);所述測(cè)試光與參考光在分光鏡 (4)疊加發(fā)生干涉，形成干涉光，所述干涉光經(jīng)光闌（3)和標(biāo)準(zhǔn)平面參考鏡（2)，返回至數(shù)字 相移干涉儀（1)的成像系統(tǒng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶空間光調(diào)制器非球面鏡計(jì)算全息干涉檢測(cè)方法，其 特征在于所述擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡（5)和零位補(bǔ)償透鏡（6)的口徑和焦距需要利用ZEMAX軟件對(duì)測(cè) 試臂光路進(jìn)行光線追跡并優(yōu)化得到； 擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡（5)與待檢非球面鏡（7)之間的光路為測(cè)試臂光路，采用ZEMAX軟件對(duì)測(cè) 試臂光路進(jìn)行光線追跡并優(yōu)化，使得測(cè)試臂光路產(chǎn)生的波像差的峰谷值能夠滿足液晶空間 光調(diào)制器（9)的有效波前調(diào)制范圍，確定測(cè)試臂光路波像差的Zernike系數(shù)及其Zernike 表達(dá)式； Zernike表達(dá)式通式為：
式中：ak為各項(xiàng)Zernike系數(shù)，Zk為各項(xiàng)Zernike表達(dá)式，k為多項(xiàng)式的序數(shù)（k = 1，2, 3，...），P和Θ分別為極坐標(biāo)下的極徑和極角。 根據(jù)ZEMAX光線追跡和優(yōu)化結(jié)果，確定擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡（5)和零位補(bǔ)償透鏡￠)的口徑和 焦距。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶空間光調(diào)制器非球面鏡計(jì)算全息干涉檢測(cè)方法，其 特征在于所述液晶空間光調(diào)制器（9)產(chǎn)生參考光的方法為：將ZEMAX光線追跡和優(yōu)化所獲 得的波像差展開(kāi)成Zernike多項(xiàng)式，并歸一化到單位圓上，通過(guò)計(jì)算全息編碼將波像差制 作成計(jì)算全息圖；將計(jì)算全息圖加載到液晶空間光調(diào)制器（9)上，經(jīng)所述分光鏡（4)分束 得到的反射光經(jīng)過(guò)偏振片（8)入射到液晶空間光調(diào)制器（9)，經(jīng)液晶空間光調(diào)制器（9)調(diào)制 后變成參考光。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶空間光調(diào)制器非球面鏡計(jì)算全息干涉檢測(cè)方法，其 特征在于通過(guò)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)平面參考鏡（2)，使所述標(biāo)準(zhǔn)平面參考鏡（2)沿測(cè)量光路光軸的垂 直方向傾斜2度至3度，避免其反射光與外部反射回?cái)?shù)字相移干涉儀（1)的干涉光再次干 涉。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶空間光調(diào)制器非球面鏡計(jì)算全息干涉檢測(cè)方法，其 特征在于通過(guò)調(diào)節(jié)零位補(bǔ)償透鏡￠)，使其焦點(diǎn)與待測(cè)非球面鏡（7)的頂點(diǎn)曲率中心重合。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶空間光調(diào)制器非球面鏡計(jì)算全息干涉檢測(cè)方法，其 特征在于液晶空間光調(diào)制器（9)采用反射式純相位液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)。
【文檔編號(hào)】G01B11/24GK104121867SQ201410384351
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】張洪鑫, 周昊, 燕宇, 喬玉晶, 司俊山, 馬薇 申請(qǐng)人:哈爾濱理工大學(xué)