一种针对凸自由曲面的计算全息图设计方法

本申请涉及光学，特别涉及一种针对凸自由曲面的计算全息图设计方法。

背景技术：

1、光学自由曲面是一种特殊的光学元件表面面型，自由曲面具有可控变量多、面形局部可控度高等特点，十分有利于光学系统像差校正，有助于光学系统的小型化、轻量化。因此，自由曲面反射镜被越来越多的应用于天文光学、军事国防以及高科技民用等领域。例如，已经发射的詹姆斯—韦伯空间望远镜的次镜采用的是凸非球面。凸自由曲面镜用于激光聚焦光学系统中，可以实现高度集中的光束和最小化的波前像差。在相机镜头中凸自由曲面可以提供更高的光学性能，包括更好的分辨率、畸变校正和光线收集效率。现如今，凸自由曲面镜越来越多的应用于各类光电系统，面形精度要求越来越高，因此工业及科研领域对高精度面形检测也提出了更高的要求。

2、高精度测量技术是质量保障的关键，决定了凸自由曲面制备能力可达到的高度。利用计算全息图(computer-generated hologram,cgh)完全补偿凸自由曲面法线像差是目前自由曲面面形测量的终检保障。相较于凹自由曲面，凸自由曲面对光线具有发散作用，面形各点法线在空间中方向各异，通过cgh后无汇聚点，而是与从干涉仪和标准镜头出射的球面波前一致，因此存在基于光线追迹原理获得cgh所需补偿相位难度大，依靠光学设计软件获得cgh补偿相位难以完全补偿法线像差的问题。因此，提供一种能够完全补偿凸自由曲面法线像差的cgh设计方法成为一种必需。

技术实现思路

1、本申请提供了一种针对凸自由曲面的计算全息图设计方法，可用于解决依靠光学设计软件获得cgh补偿相位难以完全补偿法线像差的技术问题。

2、本申请提供一种针对凸自由曲面的计算全息图设计方法，方法包括：

3、步骤1：搭建非旋转对称凸自由曲面零位干涉检测装置；在检测装置的零位补偿光路中，实际凸自由曲面(s6)待测通光区域部分上的入射光与出射光严格沿凸自由曲面(s6)待测通光区域部分的各点法线方向传播，二者传播路径相同但传播方向不同，因此利用单通光线追迹法设计计算全息图(s5)，将理想凸自由曲面(s6)通光区域部分视作起始波面，光线沿起始波面各处法线方向向计算全息图(s5)传播；

4、步骤2：经旋转与平移后将通光区域面形中心置于光轴(l)上，使面形中心法线与光轴(l)重合，将凸自由曲面(s6)上的待测通光区域部分从离轴状态转变为同轴状态；

5、步骤3：根据凸自由曲面(s6)的面形表达式以及单通光线追迹原理，对指定位置且与光轴(l)垂直的计算全息图(s5)上的衍射面上a点的坐标(xa,ya,za)进行计算；衍射面上a点与凸自由曲面通光区域某一采样点(xt,yt,zt)相对应；衍射面上的点与凸自由曲面通光区域上的采样点一一对应；

6、步骤4：利用迭代计算的方法对指定位置且与光轴(l)垂直的计算全息图的非衍射面上的b点的坐标(xb,yb,zb)进行计算；非衍射面上b点的坐标(xb,yb,zb)与衍射面上a点的坐标(xa,ya,za)相对应；计算全息图(s5)上非衍射面的点与衍射面的点一一对应；

7、步骤5：利用等相位面法，将标准透镜组(s4)看作是一个等相位面，构建几何关系，求出与计算全息图(s5)非衍射面上的b点对应的等相位面上点的坐标(xsp,ysp,zsp)；等相位面上的点与计算全息图(s5)上非衍射面上的点一一对应；

8、步骤6：利用凸自由曲面(s6)待测通光区域采样点坐标(xt,yt,zt)、计算全息图(s5)衍射面上a点的坐标(xa,ya,za)、计算全息图(s5)非衍射面上b点的坐标(xb,yb,zb)以及等相位面上点的坐标(xsp,ysp,zsp)，求出计算全息图(s5)需补偿的光程差与相位值，完成单通光路的计算全息图设计；

9、步骤7：使用zernike多项式拟合方法进行相位值补偿，将补偿得到的相位值与由离散采样点求得的相位值合成为封闭范围内的连续相位函数分布；由多项式各种参数表征相位分布；

10、步骤8：基于zernike多项式各项系数表征的连续相位函数，求得最小条纹宽度，验证最小条纹宽度是否满足加工需求，最终生成加工所需的gdsii格式工程图，经光刻微加工镀铬石英板生成计算全息图的实物。

11、本发明与现有技术相比，其显著优点为：

12、(1)本发明提出的迭代计算法可以精确求解计算全息图非衍射面上点的坐标，该方法解决了因凸自由曲面对光线具有发散作用产生的凸自由曲面光线追迹难度大，计算全息图上非衍射面坐标难以求解的问题。

13、(2)本发明提出的等相位面法可以精确求解与标准透镜组等相位的面上点的坐标，完成了对计算全息图需补偿光程差计算的闭环，实现了对离轴凸自由曲面进行零位检测的计算全息图的设计。

技术特征：

1.一种针对凸自由曲面的计算全息图设计方法，其特征在于，所述方法包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤1中，非旋转对称凸自由曲面零位干涉检测装置如下进行搭建：

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2具体的实现包括如下：

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤3具体的实现包括如下：

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤4中迭代计算法的步骤如下：

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤5包括如下步骤：

技术总结
本申请提供一种针对凸自由曲面的计算全息图设计方法，方法包括：搭建非旋转对称凸自由曲面零位干涉检测装置；经旋转与平移后将通光区域面形中心置于光轴上；对指定位置且与光轴垂直的计算全息图上的衍射面上A点的坐标进行计算；利用迭代计算的方法对指定位置且与光轴垂直的计算全息图的非衍射面上的B点的坐标进行计算；利用等相位面法，构建几何关系；求出计算全息图需补偿的光程差与相位值，完成单通光路的计算全息图设计；进行相位值补偿，将补偿得到的相位值与由离散采样点求得的相位值合成为封闭范围内的连续相位函数分布；求得最小条纹宽度，最终生成工程图。本申请实现了对离轴凸自由曲面进行零位检测的计算全息图的设计。

技术研发人员：马骏,郭瑞,刘维,魏聪,沈中昊
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27