基于液晶空间光调制器非球面CGH动态检测方法研究

本项目围绕非球面加工过程中，难以实现加工误差的在位检测这一难题，提出利用液晶空间光调制器作为计算全息补偿器，产生具有可溯源性的标准非球面作为参考波面，对非球面进行CGH检测。液晶空间光调制器具有成本低，分辨率高，每个像素可独立编程控制，可动态产生任意波面的优势，克服现有光学技术制作全息光学补偿器周期长、难度大、使用灵活性差等缺点。研究基于液晶空间光调制器非球面CGH动态检测方法，通过改进计算全息图编码方法，研究基于双误差补偿的闭环反馈控制方法，提高液晶空间光调制器产生计算全息图的精度；搭建非球面CGH动态检测系统，利用像差平衡法降低计算全息图的空间带宽积，扩大非球面尺寸检测范围。本项目是将液晶相控阵技术和自适应光学技术应用于全息干涉计量的跨学科研究，对于工业生产加工过程检测，医学人眼视网膜高分辨成像，以及光学干涉计量等方面具有较大的应用前景。

利用计算全息干涉法进行非球面测量，全息补偿片通常用通过光刻或腐蚀技术加工的光学薄片来充当。一个全息补偿片仅能用于测量一种非球面镜，灵活性差、需要一定的加工周期和制作成本高的问题未得到根本解决。非球面技术的发展要求检测与加工同步，测量方法和测量装置应具有一定的通用性，可满足不同形状、不同口径非球面实时测量的要求。.针对这样的问题，项目进行了基于液晶空间光调制器CGH非球面动态检测方法的研究。围绕着三大关键性问题：计算全息编码方法，液晶空间光调制器重构三维波前闭环控制方法和基于液晶空间光调制器非球面CGH动态检测方法和装置等，通过数学推导与建模、ZEMAX追迹仿真、测量方案论证、测量光路设计、光学元件设计与加工、软件编程、实验光路搭建与实验操作、实验数据分析和误差处理分析等手段，开展了深入的研究。.首先，从相位型计算全息编码方法的研究入手，提出了三种基于误差校正的计算全息编码方法，明显提高计算全息编码精度，从源头阻断了计算全息编码误差的传递。这三种编码方法适用于回转对称与非对称非球面全息编码；其次，对液晶空间光调制器作为计算全息载体，重构三维波前的闭环控制方法进行研究，通过Zernike波像差的模拟和激光束波前的整形方法的研究，能够通过编程控制液晶空间光调制器模拟任意波前和对激光束进行任意整形，获得了基于双误差补偿的液晶空间光调制器重构三维波前的原理、技术和方法。该研究为液晶空间光调制器应用于三维光学表面测量提供了理论基础和方法支撑；最后，研究了基于液晶空间光调制器CGH非球面动态检测方法和装置，首次实现了以液晶空间光调制器作为计算全息载体，用于非球面的计算全息干涉测量，结合部分零位补偿技术降低了CGH的空间带宽积，利用ZEMAX追迹和编程控制技术，可实时重构任意波前。通过干涉测量和对单幅干涉条纹图的快速分析，能够提取被测非球面镜的面形加工误差。将实验结果与ZYGO干涉仪测量的实验结果进行比较，二者得到的面形误差，低频分量较一致。.项目提出的测量方法和装置具有一定的通用性，可满足一定尺寸范围和不同类型非球面的实时测量，实现非球面检测与加工同步。该方法无需对测量环境提出过高要求，能高速、高效、方便、快捷地反馈非球面面形误差信息，对于实现非球面镜加工过程的在线检测具有潜在的应用前景。