一種LC?SLM誤差補償方法及其非球面面型檢測方法技術

本發明專利技術涉及光學非球面精密測量領域，涉及了一種基于LC?SLM誤差補償和數字相移技術的非球面面型檢測方法。利用ZEMAX軟件光學追跡得到光學系統的理想波像差，采用一系列正交Zernike多項式表征其波像差，得到對應的計算全息圖，并加載到LC?SLM上，利用殘差迭代法，降低了LC?SLM曲率誤差和邊緣場效應等因素帶來的影響，提高了LC?SLM的波前模擬精度，結合起補償作用的會聚透鏡和數字相移及干涉條紋分析技術，大大提高了測量的動態范圍，可以實現對大非球面度面型的實時檢測。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及光學非球面精密測量領域，涉及一種LC-SLM誤差補償及其非球面面型檢測方法。
技術介紹
光學非球面元件在校正像差、改善像質、簡化系統等方面具有顯著的優勢，但是，由于光學非球面形狀的復雜性和多樣性，其加工和測量均比球面光學元件困難得多。計算全息圖(CGH)已經成為非球面補償檢測中的一種重要的補償元件。而計算全息圖如果依賴離子束加工設備，不僅測量精度達不到要求，而且不同類型的非球面表面，需要不同的計算全息圖進行補償，靈活性差。隨著液晶顯示技術和大規模集成電路的發展以及新型液晶材料的不斷豐富，目前GAEA空間光調制器分辨率可達千萬級像素，特別是反射型，在應用上具有更大優勢。然而Si基板由于加工原因存在一定的曲率誤差，同時液晶具有邊緣場效應，這些因素都會降低LC-SLM的波前控制精度，Harriman等人對反射基板存在的曲率誤差進行了校正，Hu等人就LC-SLM對曲率誤差的自校正能力進行了研究，發現誤差補償能夠明顯減小反射基板曲率誤差對LC-SLM波前校正能力的影響。為了獲得精確的面型信息，在很多非球面面型測量中引入了移相干涉技術，例如Zygo公司的Fizeau移相干涉儀，原理都是利用PZT的壓電效應產生微小位移，從而實現移相，但這類方法成本高，且精度受到環境溫度、振動等因素的影響較大。而且目前很多零位測量的方法能夠測量的動態范圍只有幾個波長，檢測動態范圍比較小，不能滿足測量要求。
技術實現思路
本專利技術提供一種LC-SLM誤差補償方法及其非球面面型檢測方法，提高LC-SLM波前模擬精度和測量范圍。為實現上述目的，本專利技術采用以下技術方案：一種LC-SLM誤差補償方法，包括以下步驟：(1)利用光線追蹤采用一系列正交Zernike多項式的線性組合表征光學系統的理想波像差；(2)將步驟(1)得到的理想波像差對應的全息圖加載到LC-SLM上，搭建標準的泰曼-格林干涉光路，其中一個光臂經標準平面鏡反射回的光作為參考光，另一個光臂中經反射式空間光調制器反射回來的光作為物光；(3)利用標準的泰曼-格林干涉光路采集干涉條紋，然后根據該干涉條紋獲取與其對應的第一次波像差，將該第一次波像差與理想波像差做差，得到殘余誤差，取共軛并轉化為灰度圖，將該灰度圖疊加到第一次獲取的波像差對應的灰度圖上，生成新的全息圖后加載到LC-SLM上，得到第二次的波像差，如此迭代直至殘差迭代符合精度要求。步驟(1)中的光線追蹤采用ZEMAX光學軟件仿真進行光線追跡。步驟(3)中利用標準的泰曼-格林干涉光路采集干涉條紋的具體方法為：激光器發出的線偏振光經光闌后，被分光鏡分成互相垂直的兩路光，其中，一路光經線偏振器入射到空間光調制器上，反射回來形成待測光，另一束光垂直入射至標準平面鏡，沿原路返回作為參考光，待測光與參考光被分光棱鏡合成一路發生干涉，通過CCD相機獲得干涉條紋圖。一種基于上述LC-SLM誤差補償方法的非球面面型檢測方法，包括以下步驟：(1)根據非球面面型參數進行光線追蹤，獲得光學系統的理想波像差；(2)采用殘余迭代的方法對空間光調制器進行誤差補償；(3)將泰曼-格林干涉光路中的標準平面鏡換做待檢測的非球面并置于該光臂中，該光臂反射回的光作為待測光，另外一個光臂中反射回的光作為參考光；(4)在放置待檢非球面的光臂中，利用會聚透鏡將平面波轉換為標準球面波，照射待檢非球面；(5)加載經過誤差補償后的波像差對應的相位函數yCGH，依次把相位函數yi＝yCGH+(i-1)pi/2,i＝1,2,3,4，以2pi為模對yi進行周期量化，得到對應的計算全息相息圖mod(yi)，依次把相息圖加載到LC-SLM上，CCD相機依次記錄下四幅數字相移干涉圖Ii，其中，pi＝π；(6)利用四步相移算法求出從待測非球面表面返回的包裹相位，經過相位解包裹后，即得到非球面面型誤差yERR。與現有技術相比，本專利技術至少具有以下有益效果：本專利技術提供的LC-SLM誤差補償，產生較高精度的模擬波前作為參考光，利用數字相移技術獲得較高精度的面型誤差，提高了動態測量范圍，實現對大非球面度光學元件面型的實時檢測。【附圖說明】圖1是利用ZEMAX軟件仿真的光學系統；圖2是波像差模擬及誤差補償實驗過程光學系統；圖3是經過誤差補償后得到的波像差的計算全息圖；圖4是一種基于LC-SLM誤差補償和數字相移技術的非球面面型檢測方法的結構裝置；圖5是經過四步移相后波像差對應的計算全息圖。其中，1、氦氖激光器2、半波片3、光闌4、直角分光鏡5、第一線偏振器6、反射式空間光調制器7、擴束鏡8、濾波器9、準直鏡10、補償鏡11、待測非球面12、第二線偏振器13、CCD相機14、標準平面鏡。【具體實施方式】一種基于LC-SLM誤差補償和數字相移技術的非球面面型檢測方法，包括下述步驟：1)對空間光調制器進行誤差補償：利用ZEMAX光學軟件仿真進行光線追跡，采用一系列正交Zernike多項式的線性組合表征光學系統的理想波像差ψideal(i,j)，將滿足該理想波像差ψideal(i,j)的計算全息圖加載到LC-SLM上；2)搭建標準的泰曼-格林干涉光路，其中一個光臂經標準平面鏡反射回的光作為參考光，另一個光臂中經反射式空間光調制器反射回來的光作為物光。采集干涉條紋后，測量LC-SLM第一次模擬的波像差ψ1(i,j)，將其與理想波像差ψideal(i,j)相減，得到殘余誤差σ1(i,j)，取其共軛并轉化為灰度圖，將該灰度圖疊加到第一次模擬的波像差ψ1(i,j)產生的灰度圖上，生成新的計算全息圖并加載到LC-SLM上，得到第二次模擬的波像差ψ2(i,j)，將其與理想波像差ψideal(i,j)相減，得到殘余誤差σ2(i,j)。這樣進行殘差迭代，直到σn(i,j)滿足迭代終止條件，即殘余誤差滿足精度要求。3)搭建標準的泰曼-格林干涉光路，激光器選用He-Ne激光器，標準平面鏡換做待檢測的非球面并置于該光臂中，該光臂反射回的光作為待測光，另外一個光臂中反射回的光作為參考光；4)在放置待檢非球面的光臂中，利用會聚透鏡將平面波轉換為標準球面波，照射待檢非球面；5)加載步驟2)獲得的波像差ψn-1(i,j)對應的相位函數yCGH到LC-SLM上，依次把相位函數yi＝yCGH+(i-1)pi/2,i＝1,2,3,4,以2pi為模對yi進行周期量化，得到對應的計算全息相息圖mod(yi)，依次把相息圖加載到LC-SLM上，CCD相機依次記錄下四幅數字相移干涉圖Ii；6)利用四步相移算法求出從待測非球面表面返回的包裹相位，經過相位解包裹后，即得到非球面面型誤差yERR。下面將結合附圖和實施例對本專利技術進行詳細地說明。如圖2所示，實現本專利技術中空間光調制器波像差模擬及誤差補償的裝置為泰曼-格林干涉裝置。氦氖激光器1發出波長為632nm的線偏振光，半波片2用以改變線偏振光的振動方向，激光束經過一定口徑的光闌3，經過直角分光鏡4被分成互相垂直的兩路光，一束光改變方向后，經過線偏振器5入射到空間光調制器上，反射回來形成待測光，另一束光垂直入射至標準平面鏡14，沿原路返回作為參考光。待測光與參考光被分光棱鏡4合成一路發生干涉，通過CCD相機13記錄下干涉圖。因為空間光調制器加載的是理想波像差的計算全息圖，因此，此本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種LC?SLM誤差補償方法，其特征在于：包括以下步驟：(1)利用光線追蹤采用一系列正交Zernike多項式的線性組合表征光學系統的理想波像差；(2)將步驟(1)得到的理想波像差對應的全息圖加載到LC?SLM上，搭建標準的泰曼?格林干涉光路，其中一個光臂經標準平面鏡反射回的光作為參考光，另一個光臂中經反射式空間光調制器反射回來的光作為物光；(3)利用標準的泰曼?格林干涉光路采集干涉條紋，然后根據該干涉條紋獲取與其對應的第一次波像差，將該第一次波像差與理想波像差做差，得到殘余誤差，取共軛并轉化為灰度圖，將該灰度圖疊加到第一次獲取的波像差對應的灰度圖上，生成新的全息圖后加載到LC?SLM上，得到第二次的波像差，如此迭代直至殘差迭代符合精度要求。

【技術特征摘要】
1.一種LC-SLM誤差補償方法，其特征在于：包括以下步驟：(1)利用光線追蹤采用一系列正交Zernike多項式的線性組合表征光學系統的理想波像差；(2)將步驟(1)得到的理想波像差對應的全息圖加載到LC-SLM上，搭建標準的泰曼-格林干涉光路，其中一個光臂經標準平面鏡反射回的光作為參考光，另一個光臂中經反射式空間光調制器反射回來的光作為物光；(3)利用標準的泰曼-格林干涉光路采集干涉條紋，然后根據該干涉條紋獲取與其對應的第一次波像差，將該第一次波像差與理想波像差做差，得到殘余誤差，取共軛并轉化為灰度圖，將該灰度圖疊加到第一次獲取的波像差對應的灰度圖上，生成新的全息圖后加載到LC-SLM上，得到第二次的波像差，如此迭代直至殘差迭代符合精度要求。2.根據權利要求1所述的一種LC-SLM誤差補償方法，其特征在于：步驟(1)中的光線追蹤采用ZEMAX光學軟件仿真進行光線追跡。3.根據權利要求1所述的一種LC-SLM誤差補償方法，其特征在于：步驟(3)中利用標準的泰曼-格林干涉光路采集干涉條紋的具體方法為：激光器發出的線偏振光經光闌后，被分光鏡分成互相垂直的兩路光，其中，一路光經線偏振器入射到空間光...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙自新，肖昭賢，張航瑛，趙宏，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發明
國別省市：陜西;61