本發(fā)明涉及一種基于液晶計(jì)算全息圖的同步移相干涉測(cè)量系統(tǒng)及方法，屬于光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)在天文觀測(cè)、空間和地基空間目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別、激光大氣傳輸和慣性約束聚變等國(guó)防科技領(lǐng)域，以及特種眼鏡、照明系統(tǒng)、投影顯示等民用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。光學(xué)設(shè)計(jì)水平的提高、光學(xué)及機(jī)械表面加工技術(shù)的改進(jìn)都促使光學(xué)系統(tǒng)的性能大幅提升，整體更新?lián)Q代的現(xiàn)象并不少見。光學(xué)面形的高精度檢測(cè)是光學(xué)元件制造和光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)的基礎(chǔ)和前提，不同領(lǐng)域光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)光學(xué)面形檢測(cè)提出了多方面的嚴(yán)格要求，成為超精密制造加工技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展需要滿足的先決條件。總結(jié)科技領(lǐng)域?qū)鈱W(xué)面形檢測(cè)需求，有如下突出特點(diǎn)：(1)球面、非球面乃至自由曲面，被測(cè)面形復(fù)雜；(2)大口徑元件以及復(fù)雜環(huán)境下高精度測(cè)量需要提高系統(tǒng)抗振能力。

鑒于目前的加工技術(shù)和應(yīng)用需求，高精度光學(xué)面形檢測(cè)方法目前主要分成三大類：接觸測(cè)量、半接觸測(cè)量和干涉測(cè)量。其中干涉測(cè)量因其具有非接觸、全場(chǎng)測(cè)量速度快、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。目前針對(duì)復(fù)雜面形的干涉測(cè)量方法有很多，但主要方法可分為兩類：非零干涉檢測(cè)法和零干涉檢測(cè)法。

非零干涉檢測(cè)法主要包括子孔徑拼接法、亞奈奎斯特采樣法、傾斜波測(cè)量法、部分補(bǔ)償法、雙波長(zhǎng)測(cè)量法、剪切干涉法等。它不要求通過部分補(bǔ)償器后的光線完全補(bǔ)償待測(cè)面的法線像差，可有部分像差余量。由于補(bǔ)償之后系統(tǒng)允許存在較大的波像差，因此部分補(bǔ)償法降低了對(duì)補(bǔ)償器的要求，從而降低了補(bǔ)償鏡的設(shè)計(jì)、加工難度以及制造成本。但相應(yīng)的，因?yàn)樵试S存在部分剩余波像差，導(dǎo)致非零干涉裝調(diào)難度增大，同時(shí)回程誤差的存在也會(huì)降低測(cè)量精度，使其較零干涉測(cè)量精度較低。

零干涉檢測(cè)法的實(shí)質(zhì)是借助補(bǔ)償器作為輔助光學(xué)元件，把平面波或球面波前轉(zhuǎn)換為與被測(cè)面的理論形狀重合的波前，即通過補(bǔ)償鏡來補(bǔ)償被測(cè)面的法線像差。零檢測(cè)法的關(guān)鍵元件是補(bǔ)償器。計(jì)算全息圖(cgh)補(bǔ)償器作為一種基于光刻技術(shù)的補(bǔ)償器，正逐步取代傳統(tǒng)零補(bǔ)償鏡的地位，成為最常用的零補(bǔ)償元件。cgh所記錄信息方式的區(qū)別可以分為兩類：一種是振幅型全息，另一種是位相型全息。當(dāng)前基于光刻技術(shù)的石英基底振幅型cgh雖加工精度較高，但受原理限制其衍射效率低；位相型cgh衍射效率較高，但工藝復(fù)雜，誤差來源多，線寬和精度受到一定限制。

另一方面，為了解決環(huán)境振動(dòng)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械移相干涉測(cè)量精度的影響，還可采用空間同步移相和波長(zhǎng)移相等?？臻g同步移相干涉測(cè)量技術(shù)基本原理是同一時(shí)刻于不同空間位置采集具有一定相位差的干涉圖，因此光路結(jié)構(gòu)一般具有三個(gè)或者三個(gè)以上的移相單元，在每一個(gè)單元里面引入不同的相移量?，F(xiàn)有空間同步移相干涉方法為了實(shí)現(xiàn)空間分光、移相等功能，往往需要在原有干涉測(cè)量系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加更為復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，甚至設(shè)計(jì)制作專門的衍射光學(xué)元件，如果采用同一面陣探測(cè)器則需解決空間分辨率降低的問題，如果采用不同探測(cè)器，則存在探測(cè)器空間不一致的問題。同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了誤差來源，降低了測(cè)量精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有基于cgh的零補(bǔ)償抗振移相干涉法中，利用cgh實(shí)現(xiàn)復(fù)雜面形的相位補(bǔ)償、利用光柵等衍射元件實(shí)現(xiàn)分光和同步移相所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度或分辨率降低等問題，本發(fā)明公開的一種基于液晶cgh的同步移相干涉測(cè)量系統(tǒng)和方法要解決的技術(shù)問題是：利用液晶cgh同時(shí)完成補(bǔ)償被測(cè)面像差和偏振移相的功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)空間同步移相干涉光路結(jié)構(gòu)，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明公開的一種基于液晶cgh的同步移相干涉測(cè)量系統(tǒng)，包括正交偏振激光器、擴(kuò)束系統(tǒng)、半透半反鏡、參考鏡、第一會(huì)聚透鏡、液晶cgh、待測(cè)非球面、第二會(huì)聚透鏡、準(zhǔn)直透鏡、偏振分光棱鏡、第一面陣探測(cè)器、第二面陣探測(cè)器。

光路為：正交偏振激光器發(fā)出的正交偏振的線偏振激光經(jīng)擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后經(jīng)半透半反鏡，一束入射參考鏡返回半透半反鏡成為參考光，另一束經(jīng)第一會(huì)聚透鏡、液晶cgh調(diào)制后成為測(cè)量光入射待測(cè)非球面，經(jīng)待測(cè)非球面反射后攜帶待測(cè)非球面面形誤差信息，回到半透半反鏡與參考光發(fā)生干涉。參考光和測(cè)量光經(jīng)半透半反鏡后，經(jīng)第二會(huì)聚透鏡、準(zhǔn)直透鏡縮束后同時(shí)入射偏振分光棱鏡，按照偏振態(tài)分為兩束，分別由第一面陣探測(cè)器和第二面陣探測(cè)器同步探測(cè)記錄干涉圖。

所述的正交偏振激光器用于發(fā)出正交偏振的線偏振激光。所述的正交偏振激光器優(yōu)選塞曼效應(yīng)雙頻激光器、四頻環(huán)形激光器或雙折射正交偏振雙頻激光器。

所述的第一面陣探測(cè)器、第二面陣探測(cè)器優(yōu)選ccd探測(cè)器。

所述的液晶cgh由光控取向技術(shù)制作。液晶cgh是由取向正交的液晶分子取向不同區(qū)域間隔排列產(chǎn)生的位相光柵。記取向分別為方向1和方向2，方向1與方向2正交。取向?yàn)榉较?的液晶分子所在區(qū)域記為區(qū)域1，取向?yàn)榉较?的液晶分子所在區(qū)域記為區(qū)域2，區(qū)域1和區(qū)域2交替排列，所述區(qū)域1和區(qū)域2交替排列數(shù)量根據(jù)待測(cè)非球面面形而定。正交偏振激光器用于發(fā)出偏振方向平行于方向1的入射線偏振光，通過區(qū)域1產(chǎn)生位相變化δ+π，通過區(qū)域2產(chǎn)生位相變化δ。正交偏振激光器同時(shí)用于發(fā)出偏振方向平行于方向2的入射線偏振光，通過區(qū)域1產(chǎn)生位相變化β-π，通過區(qū)域2產(chǎn)生位相變化β。此時(shí)，對(duì)于偏振方向平行于方向的入射線偏振光，通過液晶cgh后產(chǎn)生的相位變化分布為補(bǔ)償被測(cè)面像差；對(duì)于偏振方向平行于方向的入射線偏振光，通過液晶cgh后產(chǎn)生的相位變化分布為實(shí)現(xiàn)偏振移相。

上述液晶cgh有兩方面作用。其一是補(bǔ)償被測(cè)面像差，完成零補(bǔ)償干涉測(cè)量；其二是配合正交偏振激光器完成π相位移相，結(jié)合偏振分光棱鏡完成分光，實(shí)現(xiàn)空間同步移相干涉測(cè)量。

與現(xiàn)有使用光刻液晶cgh完成補(bǔ)償待測(cè)非球面像差，使用專門的移相、分光器件完成偏振移相的空間同步移相干涉系統(tǒng)相比，本發(fā)明公開的一種基于液晶cgh的同步移相干涉測(cè)量系統(tǒng)，僅使用液晶cgh同時(shí)完成補(bǔ)償被測(cè)面像差和偏振移相的功能，進(jìn)而能夠精簡(jiǎn)光路結(jié)構(gòu)，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明還公開用于上述基于液晶cgh的同步移相干涉測(cè)量系統(tǒng)的一種基于液晶cgh的同步移相干涉測(cè)量方法，包括如下步驟：

步驟一：正交偏振激光器發(fā)出的正交偏振的線偏振激光經(jīng)擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后經(jīng)半透半反鏡，一束入射參考鏡返回半透半反鏡成為參考光，另一束經(jīng)第一會(huì)聚透鏡、液晶cgh調(diào)制后成為測(cè)量光入射待測(cè)非球面，經(jīng)待測(cè)非球面反射后攜帶待測(cè)非球面面形誤差信息，回到半透半反鏡與參考光發(fā)生干涉。參考光和測(cè)量光經(jīng)半透半反鏡后，經(jīng)第二會(huì)聚透鏡、準(zhǔn)直透鏡縮束后同時(shí)入射偏振分光棱鏡，按照偏振態(tài)分為兩束，分別由第一面陣探測(cè)器和第二面陣探測(cè)器同步探測(cè)記錄干涉圖。

步驟二：對(duì)步驟一記錄的兩幅干涉圖進(jìn)行圖像處理得到被測(cè)面形誤差分布。

所述的步驟二優(yōu)選兩步移相法實(shí)現(xiàn)。兩步移相法優(yōu)選如下具體方法：

步驟2.1：對(duì)步驟一記錄的兩幅干涉圖進(jìn)行圖像配準(zhǔn)。

步驟2.2：對(duì)步驟2.1配準(zhǔn)后的兩幅干涉圖進(jìn)行解相操作，進(jìn)而進(jìn)行相位解包裹操作，解得干涉圖對(duì)應(yīng)的相位分布。

步驟2.3：對(duì)步驟2.2得到的相位分布進(jìn)行換算得到待測(cè)非球面面形誤差分布。

本發(fā)明公開的一種基于液晶cgh的同步移相干涉測(cè)量方法，同步采集兩幅相移干涉圖，能夠避免環(huán)境振動(dòng)和空氣抖動(dòng)的影響，減少測(cè)量過程中的誤差來源，即能夠繼承現(xiàn)有同步移相干涉測(cè)量方法抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。

有益效果：

1、與現(xiàn)有使用光刻cgh完成補(bǔ)償被測(cè)面像差，使用專門的移相、分光器件完成偏振移相的空間同步移相干涉系統(tǒng)相比，本發(fā)明公開的一種基于液晶cgh的同步移相干涉測(cè)量系統(tǒng)，僅使用液晶cgh同時(shí)完成補(bǔ)償被測(cè)面像差和偏振移相的功能，進(jìn)而能夠精簡(jiǎn)光路結(jié)構(gòu)，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)。

2、本發(fā)明公開的一種基于液晶cgh的同步移相干涉測(cè)量方法，同步采集兩幅相移干涉圖，能夠避免環(huán)境振動(dòng)和空氣抖動(dòng)的影響，減少測(cè)量過程中的誤差來源，即能夠繼承現(xiàn)有同步移相干涉測(cè)量方法抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為一種基于液晶cgh的同步移相干涉測(cè)量系統(tǒng)光路圖。

圖2為液晶cgh的不同條紋區(qū)域示意圖。

圖3為一種基于液晶cgh的同步移相干涉測(cè)量方法流程圖。

圖4為同步采集到的干涉圖1。

圖5為同步采集到的干涉圖2。

圖6為對(duì)干涉圖1和干涉圖2利用兩步移相法解得的被測(cè)面形分布。

其中，1-正交偏振激光器、2-擴(kuò)束系統(tǒng)、3-半透半反鏡、4-參考鏡、5-第一會(huì)聚透鏡、6-液晶cgh、7-待測(cè)非球面、8-第二會(huì)聚透鏡、9-準(zhǔn)直透鏡、10-偏振分光棱鏡、11-第一面陣探測(cè)器、12-第二面陣探測(cè)器、13-液晶涂覆層、14-基底、15-液晶分子。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

本實(shí)例是本實(shí)施例在斐索干涉儀測(cè)量非球面面形誤差中的應(yīng)用。

本實(shí)施例公開的一種基于液晶cgh的同步移相干涉測(cè)量系統(tǒng)，如圖1所示，包括正交偏振激光器1、擴(kuò)束系統(tǒng)2、半透半反鏡3、參考鏡4、第一會(huì)聚透鏡5、液晶cgh6、待測(cè)非球面7、第二會(huì)聚透鏡8、準(zhǔn)直透鏡9、偏振分光棱鏡10、第一ccd探測(cè)器11、第二ccd探測(cè)器12。所述的第一面陣探測(cè)器11、第二面陣探測(cè)器12分別選用第一ccd探測(cè)器11、第二ccd探測(cè)器12。

光路為：正交偏振激光器1發(fā)出的正交偏振的線偏振激光經(jīng)擴(kuò)束系統(tǒng)2擴(kuò)束準(zhǔn)直后經(jīng)半透半反鏡3，一束入射參考鏡4返回半透半反鏡3成為參考光，另一束經(jīng)第一會(huì)聚透鏡5、液晶cgh6調(diào)制后成為測(cè)量光入射待測(cè)非球面7，經(jīng)待測(cè)非球面7反射后攜帶待測(cè)非球面7面形誤差信息，回到半透半反鏡3與參考光發(fā)生干涉。參考光和測(cè)量光經(jīng)半透半反鏡3后，經(jīng)第二會(huì)聚透鏡8、準(zhǔn)直透鏡9縮束后同時(shí)入射偏振分光棱鏡10，按照偏振態(tài)分為兩束，分別由第一面陣探測(cè)器11和第二面陣探測(cè)器12同步探測(cè)記錄干涉圖。

上述正交偏振激光器1能發(fā)出正交偏振的線偏振激光，包括但不限于塞曼效應(yīng)雙頻激光器、四頻環(huán)形激光器、雙折射正交偏振雙頻激光器等，激光波長(zhǎng)為632.8nm。

上述液晶cgh6由光控取向技術(shù)制作。如圖2所示，液晶cgh6在基底14上旋涂有液晶涂覆層13，由取向正交的液晶分子15不同區(qū)域間隔排列產(chǎn)生位相光柵。記取向分別為方向1和方向2，方向1與方向2正交。取向?yàn)榉较?的液晶分子15所在區(qū)域記為區(qū)域1，取向?yàn)榉较?的液晶分子15所在區(qū)域記為區(qū)域2，區(qū)域1和區(qū)域2交替排列，所述區(qū)域1和區(qū)域2交替排列數(shù)量根據(jù)被測(cè)非球面面形而定。正交偏振激光器1用于發(fā)出偏振方向平行于方向1的入射線偏振光，通過區(qū)域1產(chǎn)生位相變化δ+π，通過區(qū)域2產(chǎn)生位相變化δ。正交偏振激光器1同時(shí)用于發(fā)出偏振方向平行于方向2的入射線偏振光，通過區(qū)域1產(chǎn)生位相變化β-π，通過區(qū)域2產(chǎn)生位相變化β。此時(shí)，對(duì)于偏振方向平行于方向1的入射線偏振光，通過cgh后產(chǎn)生的相位變化分布為補(bǔ)償被測(cè)面像差；對(duì)于偏振方向平行于方向2的入射線偏振光，通過cgh后產(chǎn)生的相位變化分布為實(shí)現(xiàn)偏振移相。

上述液晶cgh6有兩方面作用。其一是補(bǔ)償待測(cè)非球面7像差，完成零補(bǔ)償干涉測(cè)量；其二是配合正交偏振激光器1發(fā)出的正交偏振激光完成π相位移相，結(jié)合偏振分光棱鏡10完成分光，實(shí)現(xiàn)空間同步移相干涉測(cè)量。

與現(xiàn)有使用光刻液晶cgh6完成補(bǔ)償被測(cè)面像差，使用專門的移相、分光器件完成偏振移相的空間同步移相干涉系統(tǒng)相比，本實(shí)施例公開的一種基于液晶液晶cgh6的同步移相干涉測(cè)量系統(tǒng)，僅使用液晶cgh6同時(shí)完成補(bǔ)償待測(cè)非球面7像差和偏振移相的功能，進(jìn)而能夠精簡(jiǎn)光路結(jié)構(gòu)，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)。

本實(shí)施例還公開用于上述基于液晶cgh的同步移相干涉測(cè)量系統(tǒng)的一種基于液晶cgh的同步移相干涉測(cè)量方法，步驟如圖3所示。具體包括如下步驟：

步驟一：正交偏振激光器1發(fā)出的正交偏振的線偏振激光經(jīng)擴(kuò)束系統(tǒng)2擴(kuò)束準(zhǔn)直后經(jīng)半透半反鏡3，一束入射參考鏡4返回半透半反鏡3成為參考光，另一束經(jīng)第一會(huì)聚透鏡5、液晶cgh6調(diào)制后成為測(cè)量光入射待測(cè)非球面7，經(jīng)待測(cè)非球面7反射后攜帶待測(cè)非球面7面形誤差信息，回到半透半反鏡3與參考光發(fā)生干涉。參考光和測(cè)量光經(jīng)半透半反鏡3后，經(jīng)第二會(huì)聚透鏡8、準(zhǔn)直透鏡9縮束后同時(shí)入射偏振分光棱鏡10，按照偏振態(tài)分為兩束，分別由第一面陣探測(cè)器11和第二面陣探測(cè)器12同步探測(cè)記錄干涉圖。圖3和圖4分別是第一面陣探測(cè)器11和第二面陣探測(cè)器12記錄的干涉圖，其光強(qiáng)分布滿足

i1(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[θ(x,y)](1)

i2(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[θ(x,y)+π](2)

步驟二：對(duì)步驟一記錄的兩幅干涉圖進(jìn)行圖像處理得到被測(cè)面形誤差分布。

所述的步驟二優(yōu)選兩步移相法實(shí)現(xiàn)。兩步移相法優(yōu)選如下具體方法：

步驟2.1：對(duì)步驟一記錄的兩幅干涉圖進(jìn)行圖像配準(zhǔn)。圖像配準(zhǔn)優(yōu)選如下方法：利用霍夫變換求取干涉圖所在區(qū)域的圓心位置和半徑大小，并進(jìn)行配準(zhǔn)。

步驟2.2：對(duì)步驟2.1配準(zhǔn)后的兩幅干涉圖進(jìn)行解相操作，進(jìn)而進(jìn)行相位解包裹操作，解得干涉圖對(duì)應(yīng)的相位分布。解相操作優(yōu)選如下具體方法：

首先求得干涉條紋的直流項(xiàng)a(x,y)

其次對(duì)i1(x,y)進(jìn)行去直流操作得到i′1(x,y)＝i1(x,y)-a(x,y)。對(duì)i′1(x,y)中的每個(gè)像素點(diǎn)(x,y)，求得其鄰域干涉條紋一個(gè)周期內(nèi)的最大值i′1max(x,y)和最小值i′1min(x,y)，則可求得調(diào)制項(xiàng)b(x,y)

然后可求得包裹的相位分布

步驟2.3：對(duì)步驟2.2得到的相位分布進(jìn)行換算得到被測(cè)面形誤差分布。具體換算方法是上述待測(cè)相位分布除以4π乘以波長(zhǎng)即得到被測(cè)面形誤差分布，如圖5所示。

本實(shí)施例公開的一種基于液晶cgh的同步移相干涉測(cè)量方法，同步采集兩幅相移干涉圖，能夠避免環(huán)境振動(dòng)和空氣抖動(dòng)的影響，減少測(cè)量過程中的誤差來源，即能夠繼承現(xiàn)有同步移相干涉測(cè)量方法抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。

以上所述的具體描述，對(duì)發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。