[发明专利]实时部分零位补偿光学非球面面型检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学非球面精密测量领域，特别涉及一种实时部分零位补偿光学非球面面型检测方法。

背景技术

非球面光学元件在改善光学系统的像质的同时，简化了系统的结构，因此在越来越多的系统中获得了应用。为了定量检测非球面面型结构，目前主要采用计算全息图（CGH）做为零位补偿元件的零位补偿干涉测量技术。为了精确获得面型信息，引入了移相干涉。然而，实现移相要么是利用Fizeau移相干涉仪作为测试装置的一部分，要么单独引入额外的相移装置，导致测试成本昂贵。另外，计算全息图需要利用离子束加工设备，制作在平面基底或曲面基底上，费时费力，并且，计算全息图作为零位元件只能检测特定的光学非球面，对于不同类型的非球面表面，需要加工不同的计算全息图。

液晶空间光调制器（LCSLM）作为一种波前变换元件，具有高分辨率、实时显示的特点，目前被广泛的应用于三维显示、自适应光学等领域。利用LCSLM作为计算全息图的再现介质用于零位测量，可以实现非球面的实时检测，目前常用的方法分两类：一种方法是通过LCSLM加载离轴计算全息图；另一种方法是通过LCSLM加载同轴相息图来实现。但是，这些零位测量的方法能够测量的动态范围只有几个波长，检测动态范围小。存在问题的主要原因有两点：一是目前LCSLM的分辨率（8-20mm）比光刻加工技术（0.1mm）要大的多；二是计算全息图为离轴结构时，载频分量的引入使得LCSLM的空间带宽积不能被充分利用。

发明内容

本发明要提供一种实时部分零位补偿光学非球面面型检测方法，以克服现有技术存在的检测动态范围小的缺点。

为了解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：一种实时部分零位补偿光学非球面面型检测方法，依次包括下述步骤：

1）从He-Ne激光器出射的光经扩束、准直后，作为照明光源，搭建标准的泰曼-格林干涉光路，一个光臂中的光经过标准平面镜反射后作为参考光，待检的非球面放置于另外一个光臂中，反射回的光作为物光；

2）根据待测非球面的特征参数：二次曲面常数K、顶点曲率半径R₀、多项式系数A_n、非球面直径D，求出非球面的边缘矢高H，进而求出待测非球面的最佳匹配球面半径R；

3）在放置待检非球面的光臂中，利用会聚透镜将平面波转换为标准球面波，照明待检非球面；

4）调整待检非球面的位置，使得其最佳匹配球面的球心与标准球面波球心重合，补偿掉待检非球面的大部分曲率；

5）将LCSLM放置于与待测非球面顶点距离为d（d<R）处， 使LCSLM的有效像元面积（以最短边长作为基准）略大于照明光斑尺寸；

6）利用ZEMAX软件或常规的光线追踪方法进行计算，假设把计算全息图放置在与待测非球面顶点距离为d处，计算实现零位补偿干涉时，同轴计算全息图需要补偿的相位函数y，并把该相位函数分为两部分：y=y_CGH+y_RES，其中y_RES是残余的相位函数，y_CGH是实际加载到LCSLM上的同轴全息图的相位函数，具有类似透镜的位相分布                                               ，k是波矢，f是对应的透镜焦距，x、y是LCSLM面上的坐标，y_CGH的最大值对应10个波长以下；

7）当LCSLM的位相调制范围达到2p时：依次把相位函数y_i=y_CGH +(i-1)p/4,i=1,2,3,4, 对2p取模，分别得到对应的计算全息相息图mod(y_i )，依次把相息图加载到LCSLM上，从待测非球面返回的光波经过相息图后，与平面参考光波发生干涉，CCD相机依次记录下四幅相移干涉图I_i；