基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法
【专利摘要】基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法，涉及光学测量领域。本发明利用数字相移干涉仪提供光源、成像系统和干涉图分析软件，引入液晶空间光调制器作为计算全息的载体，通过计算全息干涉法，实现非球面反射镜的在线检测。测试光路中引入零位补偿透镜补偿非球面镜的球差，而残余波像差则通过ZEMAX光线追迹得到，通过波像差的Zernike系数和Zernike表达式，获得其数学模型，通过计算全息编码，将其制作成计算全息图加载到液晶空间光调制器上，经过调制形成参考光，并与测试光干涉。该方法利用数字相移干涉仪强大的干涉图分析功能和液晶空间光调制器实时显示计算全息图的功能，能够实时地进行非球面镜的在线检测。
【专利说明】基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学测量领域。
【背景技术】
[0002] 非球面光学元件由于具有可消除各种像差，减少光能损失，获得高品质的图像等 良好的光学特性，被广泛应用到天文、航空、航天、军事、工业、医疗等领域中。非球面镜的大 量使用促使非球面光学元件的加工需求飞速增长，但是非球面检测技术的水平却是制约着 非球面镜广泛应用的关键因素，因此非球面检测技术的研究已经成为现代光学测量领域的 热点问题。目前非球面检测技术中计算全息干涉法以其测量精度高、灵敏度高的优势成为 非球面检测的主要途径。
[0003] 发明专利CN 102519392 A《一种大口径凸非球面的全孔径检测方法》提出了利 用透镜凹面将中心和边缘分别刻蚀曲面全息图进行非球面测量的方法，这种方法不需要高 精度的照明物镜还能加大全息图的最小特征尺寸；2009年A. G. Poleshchuk等人在OPTICS EXPRESS上发表〈〈Combined computer-generated hologram for testing steep aspheric surfaces》，提出将双重计算全息图刻蚀在光学全息片上进行非球面检测，由相位全息图产 生测试波前，振幅全息图产生参考波前，这种组合全息很大程度上消除了基板的波前畸变， 提高了测试精度。但是上述提到的方法在检测非球面时都需要针对被测非球面制作特定的 全息片，加工周期长，成本高，灵活性差。
[0004] 发明专利CN 102374851 A《实时部分零位补偿光学零位非球面面型检测方法》和 实用新型CN 2679645Y《用液晶显示器件的计算全息非球面干涉测量仪》提出了用液晶器 件作为计算全息图的载体，通过与零位补偿镜相结合对非球面波前进行零位补偿，以扩大 非球面测量的动态范围。其存在的问题是：检测装置中光学元件较多，不但损失光能较大， 而且增加了调校光路的难度；透射式液晶器件衍射效率和分辨率较低；并且上述测量光路 需要自行开发干涉图处理软件来分析测量结果。
【发明内容】
[0005] 本发明是为了解决光学全息片加工周期长、加工成本高、以及无法实现非球面加 工过程的在线检测的问题；单纯采用数字相移干涉仪只能测量浅度非球面的问题；以及现 有的非球面检测装置中光学元件较多，光路调校难，光能衰减大，分析干涉图难等问题，提 出基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法。
[0006] -种基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法，它由以下步骤实 现：
[0007] 数字相移干涉仪1发出的激光经标准平面参考镜2透射和光阑3限束后，入射至 分光镜4,经所述分光镜4分束成透射光和反射光，所述透射光经扩束准直镜5扩束和零位 补偿透镜6聚焦后入射至待检非球面镜7,并经待检非球面镜7反射形成测试光，所述测试 光经零位补偿透镜6和扩束准直镜5,返回至分光镜4 ;
[0008] 所述反射光经偏振片8入射至液晶空间光调制器9,经液晶空间光调制器9调制获 得参考光；所述参考光经偏振片8返回至分光镜4。所述测试光与参考光在分光镜4叠加 发生干涉，形成干涉光，所述干涉光经光阑3和标准平面参考镜2,返回至数字相移干涉仪1 的成像系统。
[0009] 所述扩束准直镜5和零位补偿透镜6的口径和焦距需要利用ZEMAX软件对测试臂 光路进行光线追迹并优化得到；
[0010] 扩束准直镜5与待检非球面镜7之间的光路为测试臂光路，采用ZEMAX软件对测 试臂光路进行光线追迹并优化，使得测试臂光路产生的波像差的峰谷值能够满足液晶空间 光调制器9的有效波前调制范围，确定测试臂光路波像差的Zernike系数及其Zernike表 达式；
[0011] Zernike表达式通式为：
[0012]
【权利要求】
1. 基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法，其特征是：它由以下步骤 实现： 数字相移干涉仪（1)发出的激光经标准平面参考镜（2)透射和光阑（3)限束后，入射 至分光镜（4)，经所述分光镜（4)分束成透射光和反射光，所述透射光经扩束准直镜（5)扩 束和零位补偿透镜（6)聚焦后入射至待检非球面镜（7)，并经待检非球面镜（7)反射形成测 试光，所述测试光经零位补偿透镜（6)和扩束准直镜（5)，返回至分光镜（4); 所述反射光经偏振片（8)入射至液晶空间光调制器（9)，经液晶空间光调制器（9)调 制获得参考光；所述参考光经偏振片（8)返回至分光镜（4);所述测试光与参考光在分光镜 (4)叠加发生干涉，形成干涉光，所述干涉光经光阑（3)和标准平面参考镜（2)，返回至数字 相移干涉仪（1)的成像系统。
2. 根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法，其 特征在于所述扩束准直镜（5)和零位补偿透镜（6)的口径和焦距需要利用ZEMAX软件对测 试臂光路进行光线追迹并优化得到； 扩束准直镜（5)与待检非球面镜（7)之间的光路为测试臂光路，采用ZEMAX软件对测 试臂光路进行光线追迹并优化，使得测试臂光路产生的波像差的峰谷值能够满足液晶空间 光调制器（9)的有效波前调制范围，确定测试臂光路波像差的Zernike系数及其Zernike 表达式； Zernike表达式通式为：
式中：ak为各项Zernike系数，Zk为各项Zernike表达式，k为多项式的序数（k = 1，2, 3，...），P和Θ分别为极坐标下的极径和极角。 根据ZEMAX光线追迹和优化结果，确定扩束准直镜（5)和零位补偿透镜￠)的口径和 焦距。
3. 根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法，其 特征在于所述液晶空间光调制器（9)产生参考光的方法为：将ZEMAX光线追迹和优化所获 得的波像差展开成Zernike多项式，并归一化到单位圆上，通过计算全息编码将波像差制 作成计算全息图；将计算全息图加载到液晶空间光调制器（9)上，经所述分光镜（4)分束 得到的反射光经过偏振片（8)入射到液晶空间光调制器（9)，经液晶空间光调制器（9)调制 后变成参考光。
4. 根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法，其 特征在于通过调节标准平面参考镜（2)，使所述标准平面参考镜（2)沿测量光路光轴的垂 直方向倾斜2度至3度，避免其反射光与外部反射回数字相移干涉仪（1)的干涉光再次干 涉。
5. 根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法，其 特征在于通过调节零位补偿透镜￠)，使其焦点与待测非球面镜（7)的顶点曲率中心重合。
6. 根据权利要求1所述的基于液晶空间光调制器非球面镜计算全息干涉检测方法，其 特征在于液晶空间光调制器（9)采用反射式纯相位液晶空间光调制器实现。
【文档编号】G01B11/24GK104121867SQ201410384351
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】张洪鑫, 周昊, 燕宇, 乔玉晶, 司俊山, 马薇 申请人:哈尔滨理工大学