專利名稱：實時部分零位補償光學非球面面型檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學非球面精密測量領域，特別涉及一種實時部分零位補償光學非球面面型檢測方法。
背景技術：
非球面光學元件在改善光學系統(tǒng)的像質的同時，簡化了系統(tǒng)的結構，因此在越來越多的系統(tǒng)中獲得了應用。為了定量檢測非球面面型結構，目前主要采用計算全息圖(CGH) 做為零位補償元件的零位補償干涉測量技術。為了精確獲得面型信息，引入了移相干涉。然而，實現(xiàn)移相要么是利用Fizeau移相干涉儀作為測試裝置的一部分，要么單獨引入額外的相移裝置，導致測試成本昂貴。另外，計算全息圖需要利用離子束加工設備，制作在平面基底或曲面基底上，費時費力，并且，計算全息圖作為零位元件只能檢測特定的光學非球面， 對于不同類型的非球面表面，需要加工不同的計算全息圖。液晶空間光調制器(LCSLM)作為一種波前變換元件，具有高分辨率、實時顯示的特點，目前被廣泛的應用于三維顯示、自適應光學等領域。利用LCSLM作為計算全息圖的再現(xiàn)介質用于零位測量，可以實現(xiàn)非球面的實時檢測，目前常用的方法分兩類一種方法是通過 LCSLM加載離軸計算全息圖；另一種方法是通過LCSLM加載同軸相息圖來實現(xiàn)。但是，這些零位測量的方法能夠測量的動態(tài)范圍只有幾個波長，檢測動態(tài)范圍小。存在問題的主要原因有兩點一是目前LCSLM的分辨率(8-20mm)比光刻加工技術(0. Imm)要大的多；二是計算全息圖為離軸結構時，載頻分量的引入使得LCSLM的空間帶寬積不能被充分利用。

發(fā)明內容
本發(fā)明要提供一種實時部分零位補償光學非球面面型檢測方法，以克服現(xiàn)有技術存在的檢測動態(tài)范圍小的缺點。為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術解決方案是一種實時部分零位補償光學非球面面型檢測方法，依次包括下述步驟
1)從He-Ne激光器出射的光經(jīng)擴束、準直后，作為照明光源，搭建標準的泰曼_格林干涉光路，一個光臂中的光經(jīng)過標準平面鏡反射后作為參考光，待檢的非球面放置于另外一個光臂中，反射回的光作為物光；
2)根據(jù)待測非球面的特征參數(shù)二次曲面常數(shù)A頂點曲率半徑慫、多項式系數(shù)凡、非球面直徑々，求出非球面的邊緣矢高//，進而求出待測非球面的最佳匹配球面半徑/P;
3)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，照明待檢非球面；
4)調整待檢非球面的位置，使得其最佳匹配球面的球心與標準球面波球心重合，補償?shù)舸龣z非球面的大部分曲率；
5)將LCSLM放置于與待測非球面頂點距離為di.d<R)處，使LCSLM的有效像元面積 (以最短邊長作為基準)略大于照明光斑尺寸；6)利用ZEMAX軟件或常規(guī)的光線追蹤方法進行計算，假設把計算全息圖放置在與待測非球面頂點距離為J處，計算實現(xiàn)零位補償干涉時，同軸計算全息圖需要補償?shù)南辔缓瘮?shù)，并把該相位函數(shù)分為兩部分，其中_FKES是殘余的相位函數(shù)，Ara是實際加載到LCSLM上的同軸全息圖的相位函數(shù)，具有類似透鏡的位相分布
Ψοοη = 士 +/) ’k是波矢，/是對應的透鏡焦距，Z、_F是LCSLM面上的坐標，Ara的最
大值對應10個波長以下；
7)當LCSLM的位相調制范圍達到2p時依次把相位函數(shù)Yi=Frai+(i_l) p/4,i=l, 2，3，4，對2p取模，分別得到對應的計算全息相息圖HiocKyi )，依次把相息圖加載到LCSLM上，從待測非球面返回的光波經(jīng)過相息圖后，與平面參考光波發(fā)生干涉，CCD相機依次記錄下四幅相移干涉圖Ii ；
當LCSLM的位相調制范圍小于2p時依次把相位函數(shù)Yi=Frai +(i-l)p/4, i=l, 2，3，4， 對2p取模，然后進行二值量化，分別得到對應的計算全息圖；依次把全息圖加載到LCSLM 上，取全息圖的+1級衍射光波作為照明光波，從待測非球面返回的光波經(jīng)過全息圖后取+1 級衍射光，與平面參考光波發(fā)生干涉，CCD相機依次記錄下四幅相移干涉圖Ii ；
8)利用相移算法求出從待測非球面表面返回的包裹相位，經(jīng)過相位解包裹后，得到最終的相位分布_ffina^Fekk+Fkes，通過減去殘余相位分布_Fkes，即得到非球面面型誤差_Fekk。上述步驟7)中計算全息圖二值量化時，通過調整占寬比和位相深度，使+1級衍射光的效率最高。上述步驟7)八中涉及到的相移原理及算法亦可采用2)步、3)步或5)步以及其他相移算法。本發(fā)明提供一種利用LCSLM同時作為部分零位補償元件和相移元件的非球面光學元件面型檢測方法，實現(xiàn)對大球面度的光學元件面型實時檢測。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點是
1.提高了非球面檢測的動態(tài)范圍通過部分零位補償技術，采用加載計算全息圖的 LCSLM作為部分零位補償元件，結合起補償作用的會聚透鏡和干涉條紋分析技術，大大提高了測量的動態(tài)范圍，可以實現(xiàn)對大非球面度面型的檢測。本發(fā)明中測量的動態(tài)范圍由三部分確定，補償透鏡、LCSLM加載的計算全息相息圖對應的相位函數(shù)Ara及殘余相位函數(shù)_fkes。_Fkes由相移的干涉圖通過相位解包裹得到，干涉條紋的周期一般大于2像素，對于目前常用的10M*768分辨率的(XD，干涉圖對應50個以下的干涉條紋的時候，測量精度可以達到0. 01個波長，在本結構中，2個干涉條紋對應一個波長，即殘余相位函數(shù)_fkes對應的提高的測量動態(tài)范圍為25個波長。2.方法簡單，檢測準確該方法通過LCSLM依次加載多幅不同的計算全息圖的方式實現(xiàn)了相移干涉，本發(fā)明不需要引入額外的相移裝置，有相移結構簡單、相移精度高的優(yōu)點，再利用成熟的相移算法和干涉條紋分析技術就可以實現(xiàn)高精度檢測。


圖1是實現(xiàn)本發(fā)明實時部分零位補償光學非球面面型檢測方法的結構裝置示意
具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細地說明。如圖1所示，實現(xiàn)本發(fā)明的結構裝置為泰曼-格林干涉裝置。氦氖激光器1發(fā)出波長為633·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(jīng)過擴束鏡3和準直鏡5后變?yōu)闃藴势叫泄?，針孔濾波器4用于消除雜散光，該標準平面波被半透半反的消偏振直角分光棱鏡6分成互相垂直的兩路光反射光波照射到標準平面反射鏡8上并被反射，作為參考光，透射光經(jīng)過補償鏡9形成標準球面波，該標準球面波通過加載有補償全息圖的液晶空間光調制器11后，入射到待測非球面12，經(jīng)待測非球面12反射后，沿原路返回作為待測光。待測光與參考光被分光棱鏡6合成一路發(fā)生干涉，通過C⑶相機14記錄下干涉圖。由于待測光攜帶了待檢非球面的面型信息，通過分析干涉條紋即可獲得待檢面的面型偏差。半波片2和線偏振器7、13用于調整干涉條紋的對比度。光闌10放置于標準球面波焦點處，用以濾除空間光調制器的像素結構產生的衍射光和阻擋加載二值化計算全息圖時產生的高級次衍射光波。液晶空間光調制器11受計算機15控制，具體結構包括液晶顯示器件和前后兩個偏振片，調整前后兩個偏振片的夾角使其工作于位相調制模式，其位相調制特性事先測量好，存儲在計算機15中。實施例1 利用本發(fā)明進行旋轉對稱二次凹非球面面型檢測的過程如下
1)從He-Ne激光器出射的光經(jīng)擴束、準直后，作為照明光源，搭建標準的泰曼-格林干涉光路，一個光臂中的光經(jīng)過標準平面鏡反射后作為參考光，待檢的非球面放置于另外一個光臂中，反射回的光作為物光。2)根據(jù)待測非球面的特征參數(shù)二次曲面常數(shù)A頂點曲率半徑慫、多項式系數(shù)凡、 非球面直徑々，求出非球面的邊緣矢高//，
權利要求
1.一種實時部分零位補償光學非球面面型檢測方法，其特征在于依次包括下述步驟1)從He-Ne激光器出射的光經(jīng)擴束、準直后，作為照明光源，搭建標準的泰曼-格林干涉光路，一個光臂中的光經(jīng)過標準平面鏡反射后作為參考光，待檢的非球面放置于另外一個光臂中，反射回的光作為物光；2)根據(jù)待測非球面的特征參數(shù)二次曲面常數(shù)A頂點曲率半徑慫、多項式系數(shù)凡、非球面直徑々，求出非球面的邊緣矢高//，進而求出待測非球面的最佳匹配球面半徑/P;3)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，照明待檢非球面；4)調整待檢非球面的位置，使得其最佳匹配球面的球心與標準球面波球心重合，補償?shù)舸龣z非球面的大部分曲率；5)將LCSLM放置于與待測非球面頂點距離為di.d<R)處，使LCSLM的有效像元面積 (以最短邊長作為基準)略大于照明光斑尺寸；6)利用ZEMAX軟件或常規(guī)的光線追蹤方法進行計算，假設把計算全息圖放置在與待測非球面頂點距離為J處，計算實現(xiàn)零位補償干涉時，同軸計算全息圖需要補償?shù)南辔缓瘮?shù)，并把該相位函數(shù)分為兩部分，其中_FKES是殘余的相位函數(shù)，Ara是實際加載到LCSLM上的同軸全息圖的相位函數(shù)，具有類似透鏡的位相分布= 土 +/) Λ是波矢，/是對應的透鏡焦距，Z、_F是LCSLM面上的坐標，Ara的最丄J大值對應10個波長以下；7)當LCSLM的位相調制范圍達到2p時依次把相位函數(shù)Yi=Frai+(i_l) p/4,i=l, 2，3，4，對2p取模，分別得到對應的計算全息相息圖HiocKyi )，依次把相息圖加載到LCSLM上，從待測非球面返回的光波經(jīng)過相息圖后，與平面參考光波發(fā)生干涉，CCD相機依次記錄下四幅相移干涉圖Ii ；當LCSLM的位相調制范圍小于2p時依次把相位函數(shù)Yi=Frai +(i-l)p/4, i=l, 2，3，4， 對2p取模，然后進行二值量化，分別得到對應的計算全息圖；依次把全息圖加載到LCSLM 上，取全息圖的+1級衍射光波作為照明光波，從待測非球面返回的光波經(jīng)過全息圖后取+1 級衍射光，與平面參考光波發(fā)生干涉，CCD相機依次記錄下四幅相移干涉圖Ii ；8)利用相移算法求出從待測非球面表面返回的包裹相位，經(jīng)過相位解包裹后，得到最終的相位分布_ffina^Fekk+Fkes，通過減去殘余相位分布_Fkes，即得到非球面面型誤差_Fekk。
2.如權利要求1所述的一種實時部分零位補償光學非球面面型檢測方法，其特征在于所述步驟7)中計算全息圖二值量化時，通過調整占寬比和位相深度，使+1級衍射光的效率最高。
3.如權利要求1或2所述的一種實時部分零位補償光學非球面面型檢測方法，其特征在于述步驟7)、8)中涉及到的相移原理及算法采用2)步、3)步、5)步或其他相移算法。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學非球面精密測量領域，特別涉及一種實時部分零位補償光學非球面面型檢測方法?，F(xiàn)有技術零位測量的方法能夠測量的動態(tài)范圍只有幾個波長，檢測動態(tài)范圍小。本發(fā)明中測量的動態(tài)范圍由三部分確定，補償透鏡、LCSLM加載的計算全息相息圖對應的相位函數(shù)yCGH及殘余相位函數(shù)yRES。本發(fā)明通過部分零位補償技術，采用加載計算全息圖的LCSLM作為部分零位補償元件，結合起補償作用的會聚透鏡和干涉條紋分析技術，大大提高了測量的動態(tài)范圍，可以實現(xiàn)對大非球面度面型的檢測。
文檔編號G01B11/24GK102374851SQ20111028297
公開日2012年3月14日 申請日期2011年9月22日 優(yōu)先權日2011年9月22日
發(fā)明者段存麗, 路紹軍, 鄭婷, 郭榮禮, 韓軍 申請人:西安工業(yè)大學