一种高精度的空间光调制器衍射波前调制方法和装置

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，特别涉及一种高精度的空间光调制器衍射波前调制方法和装置。

背景技术

空间光调制器是一种能实现光场调制的元件。其中，液晶空间光调制器在空间光调制器中占有主导地位，可对光束的相位、偏振态、振幅或强度进行一维或二维分布的实时空间调制。液晶空间光调制器由液晶阵列构成，液晶受光信号或电信号控制，通过物理效应改变液晶的光学性质，从而达到对入射光场进行调制的目的。液晶空间光调制器采用集成电路的制备技术，具有驱动器数量多、体积小、易于控制的特点。液晶空间光调制器的这些优点使其在激光整形、光束净化、大气自适应光学、人眼科学和波面干涉检测等应用的波前调控系统中得到越来越多的应用。

波面干涉检测技术是超精密加工领域最常用的高精度面形检测手段，面形检测作为超精密制造的前提和基础，是精密工程发展的核心动力之一。波面干涉检测以波前作为标准样板，要求波面形状与被测面的设计形状完全匹配。但传统波面干涉仪标准镜头只有平面和球面两种，针对不同非球面和自由曲面的检测需要设计补偿元件将波面干涉仪参考波前转换成任意波前。液晶空间光调制器类似于可编程的计算全息片，但是避免了补偿元件制作过程，具有产生动态可变像差的潜在优势，因而作为像差校正元件得到了波面干涉检测领域研究人员的广泛关注。研究人员将空间光调制器引入传统波面干涉检测领域，利用空间光调制器在检测光路中产生可变的相位，将波面干涉仪的标准平面和球面波前转换成与不同非球面或自由曲面匹配或者部分匹配的波前，降低干涉条纹数目，实现不同非球面和自由曲面面形的可变补偿干涉检测，不断拓展出自适应补偿干涉检测学术方向。然而波面检测的检测精度典型要求为均方根值(Root-mean-square,RMS)优于数十纳米，传统的空间光调制器波前调控方法难以满足要求。

传统的波前调控方法基于空间光调制器的电控双折射效应。空间光调制器波前调控能力极为有限，一般来说这种方法仅仅能产生约2π的相位。为了能产生更大的波前调控，通常采用相位回卷，即对待控制相位作2π量化的方法。但是无论是否采用相位回卷方法，基于电控双折射效应的波前调控精度并不高。主要原因在于这种控制方法依赖于空间光调制器的相位响应函数。相位响应函数是相位调制深度与加载灰度或电压的函数关系。这种函数关系一般是非线性。实际上，相位响应函数还具有空间不均匀性，即相位响应函数因像素位置而异。为了取得较高的波前调控精度，需要用实验的方法对空间光调制器逐像素或者逐像素区域的相位响应函数标定，这种校准过程很复杂并且耗时。即使进行了相位响应函数的标定，使用这种控制方法还会受很多因素的影响。比如，相位响应与入射波的偏振态有关，因此空间光调制器实际应用的光路中需要使用偏振片，并且偏振态需要与相位响应校准光路的偏振态一致。而且，2π量化过程会造成2π整倍数相位区域的像素灰度剧烈变化，使得波前调控精度进一步下降。

综上所述，空间光调制器波前调控精度尤其是较大相位调制量下的控制精度难以满足干涉检测需求，当前如何实现空间光调制器的高精度波前调控已成为自适应补偿干涉检测技术发展的重要瓶颈。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种高精度的空间光调制器衍射波前调制方法和装置。

为实现上述技术目的，本发明提出的技术方案为：

高精度的空间光调制器衍射波前调制方法，包括：

S1.模拟生成参考波前；

S2.生成带设计像差和空间光调制器固有像差共轭像差的模拟物波，其中设计像差为参考波前经空间光调制器调制后产生的像差；

S3.使模拟生成的参考波前和模拟物波发生干涉，并产生干涉图；

S4.对S3中得到的干涉图进行灰度量化和像素离散化，得到灰度量化和像素离散化后的干涉图；

S5.将灰度量化和像素离散化后的干涉图加载到通电工作的空间光调制器上，利用参考波前作为照射空间光调制器的入射波，当空间光调制器被参考波前照射时，空间光调制器对参考波前产生调制，调制相位为设计像差，并实现对空间光调制器自身固有误差的补偿。

作为本发明的进一步限定，参考波前可以是平面波前、球面波前或任意波前形状。优选地，参考波前为带倾斜或离焦载频的标准平面波或者球面波。

作为本发明的进一步限定，所述的空间光调制器可以是透过型、反射型、纯相位型、振幅型或相位振幅混合型的空间光调制器。

空间光调制器具有有限的灰度等级，通常为8位，即256阶灰度等级，并且具有有限的像素分辨率，通常具有10

本发明提供一种高精度的空间光调制器衍射波前调制装置，包括：

参考波前生成模块，用于模拟生成参考波前；

物波生成模块，用于模拟生成带设计像差和空间光调制器固有像差共轭像差的物波，其中设计像差为参考波前经空间光调制器调制后产生的像差；

模拟干涉模块，通过模拟方法使得模拟生成的参考波前和模拟物波发生干涉，并产生干涉图；

干涉图处理模块，用于对模拟干涉模块产生的干涉图进行灰度量化和像素离散化，得到灰度量化和像素离散化后的干涉图；

波前调制模块，包括波面干涉仪、空间光调制器，将灰度量化和像素离散化后的干涉图加载到通电工作的空间光调制器上，利用波面干涉仪出射参考波前作为照射空间光调制器的入射波，空间光调制器对参考波前产生调制，调制相位为设计像差，并实现对空间光调制器自身固有误差的补偿。

进一步地，高精度的空间光调制器衍射波前调制装置还包括固有像差测量模块，用于测量空间光调制器固有像差，通过空间光调制器固有像差即可得到空间光调制器固有像差共轭像差。固有像差测量模块包括波面干涉仪、空间光调制器和平面反射镜，从波面干涉仪出射的参考波前，经空间光调制器透射后，出射的光束被高精度平面反射镜反射，反射光束再次透射经过空间光调制器，携带空间光调制器的固有像差返回波面干涉仪，与参考波前干涉，得到空间光调制器固有像差。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明所提供的一种高精度的空间光调制器衍射波前调制方法，其波前调控精度依赖于干涉条纹的形状，因此无需进行复杂的相位响应曲线的校准；干涉条纹灰度也是渐变的，不存在灰度跳跃，像素灰度也仅仅影响衍射效率，因此有望在适中相位调制量的前提下实现较高精度的波前调控，满足波面干涉测量等领域对波前调控精度的要求。

(2)本发明所提供的一种高精度的空间光调制器衍射波前调制方法，还避免了基于传统电控应力双折射效应波前调控方法对空间光调制器入射光线入射角度的限制，因此可以在平面波和球面波光路中使用。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2为本发明实施例的实施方案示意图；

图3为本发明实施例的中空间光调制器的固有像差；

图4为本发明实施例的中空间光调制器补偿固有像差对应的待加载干涉图；

图5为本发明实施例的中空间光调制器补偿加载补偿固有像差干涉图之后的相位检测结果。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参照图1，本实施例提供一种高精度的空间光调制器衍射波前调制方法，包括：

S1.利用计算机模拟生成参考波前；

S2.利用计算机模拟生成带设计像差和空间光调制器固有像差共轭像差的模拟物波。其中设计像差为参考波前经空间光调制器调制后产生的像差，可以采用波前传感测量的方法，如剪切干涉法，哈特曼测量法等。

S3.通过模拟仿真使模拟生成的参考波前和模拟物波发生干涉，并产生干涉图；

S4.对S3中得到的干涉图进行灰度量化和像素离散化，得到灰度量化和像素离散化后的干涉图；

S5.将灰度量化和像素离散化后的干涉图加载到通电工作的空间光调制器上，利用参考波前作为照射空间光调制器的入射波，当空间光调制器被参考波前照射时，空间光调制器对参考波前产生调制，调制相位为设计像差，并实现对空间光调制器自身固有误差的补偿。

将灰度量化和像素离散化后的干涉图加载到通电工作的空间光调制器上，利用波面干涉仪出射参考波前作为照射空间光调制器的入射波，当空间光调制器被参考波前照射时，空间光调制器对参考波前产生调制，调制相位为设计像差，并实现对空间光调制器固有像差的补偿。。

本实施例中，S1中所述的参考波前为带倾斜载频的标准平面波。

本实施例中，S2中所述的设计像差为峰谷值(PV值)为4λ(λ＝632.8nm)的离焦像差。离焦像差的定义为Φ＝x

本实施例中，S3中所述的灰度量化等级为8。

本实施例中，S4中所述的空间光调制器为电寻址空间光调制器，透过型、相位振幅混合型，型号为Holoeye

上述高精度的空间光调制器衍射波前调制方法原理如下：该方法主要基于计算全息的理论。计算全息主要由记录和重现两个步骤组成。记录过程基于波面干涉理论，重现过程基于衍射理论。不失一般性，以模拟生成的参考波前为带倾斜载频标准平面波前为例简要说明多灰度等级干涉条纹型计算全息编码的理论。模拟生成的参考波前是标准平面波前，模拟物波是带有设计像差和空间光调制器固有像差共轭像差的平面波前。

在记录平面上，模拟生成的参考波前复振幅U

U

式(1)中，i为复数标记，y表示参考波前的空间坐标(x,y,z)的y坐标值，z表示参考波前的空间坐标(x,y,z)的z坐标值,θ表示参考波前的法线与记录平面法线的夹角。

在记录平面上，模拟物波复振幅U

式(2)中，

模拟生成的参考波前和模拟物波在记录平面内的干涉图H由模拟生成，其表达式为：

H＝|U

式(3)中包含了三个衍射级次。0级光是|U

将干涉图H加载到通电的空间光调制器上，利用波面干涉仪出射的参考波前作为照射空间光调制器的入射波，当空间光调制器被入射波照射时，出射的衍射光束包含了0级光、+1级光和-1级光。为将这三个级次的衍射光在空间上进行分离，入射波的法线与记录平面的法线成夹角θ。因此，得到的+1级光就重构出物波的相位从而实现相位的控制。

通常，空间光调制器具有有限的灰度等级，通常为8位，即256阶灰度等级，并且具有有限的像素分辨率，通常具有10

式(4)中

搭建如图2所示的空间光调制器衍射波前调制光路，如图2所示，包括波面干涉仪、空间光调制器和平面反射镜，利用波面干涉仪出射的参考波前作为照射空间光调制器的入射波。将灰度量化和像素离散化后的干涉图加载到通电工作的空间光调制器上，当空间光调制器被参考波前照射时，空间光调制器对参考波前产生调制，并实现对空间光调制器固有像差的补偿。当空间光调制器后放置高精度平面反射镜时，可实施空间光调制器固有像差的测量。首先空间光调制器上不加载任何图案，从波面干涉仪出射的参考波前透过空间光调制器后，被高精度的平面反射镜反射，反射光束再次透射经过空间光调制器，携带空间光调制器的固有像差返回波面干涉仪，与参考波前发生干涉，即可使用波面干涉仪测量空间光调制器的固有像差。空间光调制器的固有像差由其玻璃面板的加工误差，液晶层的不均匀等造成，本实施例中的固有像差如图3所示，其像差的PV值为2.304λ，RMS值为0.432λ。

模拟生成带设计像差和空间光调制器固有像差共轭像差的平面物波。其中，设计像差为峰谷值(PV值)为4λ(λ＝632.8nm)的离焦像差。离焦像差的定义为Φ＝x

模拟生成参考波前，参考波前为带载频的参考平面波。

将模拟生成的带载频的参考平面波与模拟生成的带设计像差和空间光调制器的固有像差共轭像差的平面物波在记录平面干涉，并产生干涉图。将干涉图进行灰度量化和像素离散化，得到灰度量化和离散化后的干涉图，如图4所示。在图2所示光路中的空间光调制器上加载如图4所示灰度量化和离散化后的干涉图即可产生对入射光波前产生调制，调制波前为设计的像差，即PV值为4λ的离焦像差，并能补偿固有误差。波前调制的检测结果如图5所示，所调制离焦像差的PV值为4.059λ。即通过一种高精度的空间光调制器衍射波前调制方法实现了高精度波前调制。

本发明一实施例提供一种高精度的空间光调制器衍射波前调制装置，包括：

参考波前生成模块，用于模拟生成参考波前；

物波生成模块，用于模拟生成带设计像差和空间光调制器固有像差共轭像差的物波，其中设计像差为参考波前经空间光调制器调制后产生的像差；

模拟干涉模块，通过模拟方法使得模拟生成的参考波前和模拟物波发生干涉，并产生干涉图；

干涉图处理模块，用于对模拟干涉模块产生的干涉图进行灰度量化和像素离散化，得到灰度量化和像素离散化后的干涉图；

固有像差测量模块，用于测量空间光调制器固有像差，通过空间光调制器固有像差即可得到空间光调制器固有像差共轭像差。固有像差测量模块包括波面干涉仪、空间光调制器和平面反射镜，从波面干涉仪出射的参考波前，经空间光调制器透射后，出射的光束被高精度平面反射镜反射，反射光束再次透射经过空间光调制器，携带空间光调制器的固有像差返回波面干涉仪，与参考波前干涉，得到空间光调制器固有像差；

波前调制模块，包括波面干涉仪、空间光调制器，将灰度量化和像素离散化后的干涉图加载到通电工作的空间光调制器上，利用波面干涉仪出射参考波前作为照射空间光调制器的入射波，空间光调制器对参考波前产生调制，调制相位为设计像差，并实现对空间光调制器自身固有误差的补偿。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。