基于液晶空間光調制器非球面鏡計算全息干涉檢測方法
【專利摘要】基于液晶空間光調制器非球面鏡計算全息干涉檢測方法，涉及光學測量領域。本發明利用數字相移干涉儀提供光源、成像系統和干涉圖分析軟件，引入液晶空間光調制器作為計算全息的載體，通過計算全息干涉法，實現非球面反射鏡的在線檢測。測試光路中引入零位補償透鏡補償非球面鏡的球差，而殘余波像差則通過ZEMAX光線追跡得到，通過波像差的Zernike系數和Zernike表達式，獲得其數學模型，通過計算全息編碼，將其制作成計算全息圖加載到液晶空間光調制器上，經過調制形成參考光，并與測試光干涉。該方法利用數字相移干涉儀強大的干涉圖分析功能和液晶空間光調制器實時顯示計算全息圖的功能，能夠實時地進行非球面鏡的在線檢測。
【專利說明】基于液晶空間光調制器非球面鏡計算全息干涉檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光學測量領域。
【背景技術】
[0002] 非球面光學元件由于具有可消除各種像差，減少光能損失，獲得高品質的圖像等 良好的光學特性，被廣泛應用到天文、航空、航天、軍事、工業、醫療等領域中。非球面鏡的大 量使用促使非球面光學元件的加工需求飛速增長，但是非球面檢測技術的水平卻是制約著 非球面鏡廣泛應用的關鍵因素，因此非球面檢測技術的研究已經成為現代光學測量領域的 熱點問題。目前非球面檢測技術中計算全息干涉法以其測量精度高、靈敏度高的優勢成為 非球面檢測的主要途徑。
[0003] 發明專利CN 102519392 A《一種大口徑凸非球面的全孔徑檢測方法》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行非球面測量的方法，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上發表〈〈Combined computer-generated hologram for testing steep aspheric surfaces》，提出將雙重計算全息圖刻蝕在光學全息片上進行非球面檢測，由相位全息圖產 生測試波前，振幅全息圖產生參考波前，這種組合全息很大程度上消除了基板的波前畸變， 提高了測試精度。但是上述提到的方法在檢測非球面時都需要針對被測非球面制作特定的 全息片，加工周期長，成本高，靈活性差。
[0004] 發明專利CN 102374851 A《實時部分零位補償光學零位非球面面型檢測方法》和 實用新型CN 2679645Y《用液晶顯示器件的計算全息非球面干涉測量儀》提出了用液晶器 件作為計算全息圖的載體，通過與零位補償鏡相結合對非球面波前進行零位補償，以擴大 非球面測量的動態范圍。其存在的問題是：檢測裝置中光學元件較多，不但損失光能較大， 而且增加了調校光路的難度；透射式液晶器件衍射效率和分辨率較低；并且上述測量光路 需要自行開發干涉圖處理軟件來分析測量結果。
【發明內容】
[0005] 本發明是為了解決光學全息片加工周期長、加工成本高、以及無法實現非球面加 工過程的在線檢測的問題；單純采用數字相移干涉儀只能測量淺度非球面的問題；以及現 有的非球面檢測裝置中光學元件較多，光路調校難，光能衰減大，分析干涉圖難等問題，提 出基于液晶空間光調制器非球面鏡計算全息干涉檢測方法。
[0006] -種基于液晶空間光調制器非球面鏡計算全息干涉檢測方法，它由以下步驟實 現：
[0007] 數字相移干涉儀1發出的激光經標準平面參考鏡2透射和光闌3限束后，入射至 分光鏡4,經所述分光鏡4分束成透射光和反射光，所述透射光經擴束準直鏡5擴束和零位 補償透鏡6聚焦后入射至待檢非球面鏡7,并經待檢非球面鏡7反射形成測試光，所述測試 光經零位補償透鏡6和擴束準直鏡5,返回至分光鏡4 ;
[0008] 所述反射光經偏振片8入射至液晶空間光調制器9,經液晶空間光調制器9調制獲 得參考光；所述參考光經偏振片8返回至分光鏡4。所述測試光與參考光在分光鏡4疊加 發生干涉，形成干涉光，所述干涉光經光闌3和標準平面參考鏡2,返回至數字相移干涉儀1 的成像系統。
[0009] 所述擴束準直鏡5和零位補償透鏡6的口徑和焦距需要利用ZEMAX軟件對測試臂 光路進行光線追跡并優化得到；
[0010] 擴束準直鏡5與待檢非球面鏡7之間的光路為測試臂光路，采用ZEMAX軟件對測 試臂光路進行光線追跡并優化，使得測試臂光路產生的波像差的峰谷值能夠滿足液晶空間 光調制器9的有效波前調制范圍，確定測試臂光路波像差的Zernike系數及其Zernike表 達式；
[0011] Zernike表達式通式為：
[0012]
【權利要求】
1. 基于液晶空間光調制器非球面鏡計算全息干涉檢測方法，其特征是：它由以下步驟 實現： 數字相移干涉儀（1)發出的激光經標準平面參考鏡（2)透射和光闌（3)限束后，入射 至分光鏡（4)，經所述分光鏡（4)分束成透射光和反射光，所述透射光經擴束準直鏡（5)擴 束和零位補償透鏡（6)聚焦后入射至待檢非球面鏡（7)，并經待檢非球面鏡（7)反射形成測 試光，所述測試光經零位補償透鏡（6)和擴束準直鏡（5)，返回至分光鏡（4); 所述反射光經偏振片（8)入射至液晶空間光調制器（9)，經液晶空間光調制器（9)調 制獲得參考光；所述參考光經偏振片（8)返回至分光鏡（4);所述測試光與參考光在分光鏡 (4)疊加發生干涉，形成干涉光，所述干涉光經光闌（3)和標準平面參考鏡（2)，返回至數字 相移干涉儀（1)的成像系統。
2. 根據權利要求1所述的基于液晶空間光調制器非球面鏡計算全息干涉檢測方法，其 特征在于所述擴束準直鏡（5)和零位補償透鏡（6)的口徑和焦距需要利用ZEMAX軟件對測 試臂光路進行光線追跡并優化得到； 擴束準直鏡（5)與待檢非球面鏡（7)之間的光路為測試臂光路，采用ZEMAX軟件對測 試臂光路進行光線追跡并優化，使得測試臂光路產生的波像差的峰谷值能夠滿足液晶空間 光調制器（9)的有效波前調制范圍，確定測試臂光路波像差的Zernike系數及其Zernike 表達式； Zernike表達式通式為：
式中：ak為各項Zernike系數，Zk為各項Zernike表達式，k為多項式的序數（k = 1，2, 3，...），P和Θ分別為極坐標下的極徑和極角。 根據ZEMAX光線追跡和優化結果，確定擴束準直鏡（5)和零位補償透鏡￠)的口徑和 焦距。
3. 根據權利要求1所述的基于液晶空間光調制器非球面鏡計算全息干涉檢測方法，其 特征在于所述液晶空間光調制器（9)產生參考光的方法為：將ZEMAX光線追跡和優化所獲 得的波像差展開成Zernike多項式，并歸一化到單位圓上，通過計算全息編碼將波像差制 作成計算全息圖；將計算全息圖加載到液晶空間光調制器（9)上，經所述分光鏡（4)分束 得到的反射光經過偏振片（8)入射到液晶空間光調制器（9)，經液晶空間光調制器（9)調制 后變成參考光。
4. 根據權利要求1所述的基于液晶空間光調制器非球面鏡計算全息干涉檢測方法，其 特征在于通過調節標準平面參考鏡（2)，使所述標準平面參考鏡（2)沿測量光路光軸的垂 直方向傾斜2度至3度，避免其反射光與外部反射回數字相移干涉儀（1)的干涉光再次干 涉。
5. 根據權利要求1所述的基于液晶空間光調制器非球面鏡計算全息干涉檢測方法，其 特征在于通過調節零位補償透鏡￠)，使其焦點與待測非球面鏡（7)的頂點曲率中心重合。
6. 根據權利要求1所述的基于液晶空間光調制器非球面鏡計算全息干涉檢測方法，其 特征在于液晶空間光調制器（9)采用反射式純相位液晶空間光調制器實現。
【文檔編號】G01B11/24GK104121867SQ201410384351
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年8月6日 優先權日:2014年8月6日
【發明者】張洪鑫, 周昊, 燕宇, 喬玉晶, 司俊山, 馬薇 申請人:哈爾濱理工大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
