基于反射式空间光调制器的非球面面形干涉检测方法设计

摘要：目前光学系统中非球面数量多,针对各个非球面单独做补偿器检测面形加工成本高、通用性不好、加工难度大,为解决对多个参数不同的非球面需要不同的补偿器的问题,提出了一种基于空间光调制器(spatial light modulator,SLM)作为补偿器的干涉面形检测方法,该干涉检测法采用反射式空间光调制器作为零位补偿器,结合偏振分光镜和波片建立检测光路,可以实现对非球面面形误差的测量。通过在ZEMAX上模拟一个两表面皆为凹非球面的场镜的检测光路,对该干涉检测方法进行了验证,并在MATLAB中仿真分析了SLM的波前调制误差。仿真结果表明,该方法可以实现对不同非球面面形的检测,设计光路中的波前调制精度可达0.0083λ。

1SLM补偿检测模型

本文中仿真的SLM型号为UPOLabs HDSLM38R,为使干涉仪发出的光在经过各元件到SLM时为水平偏振光,以及为防止第一次经待测面反射后的光不经PBS到SLM上而是直接返回干涉仪导致干涉条纹混叠,本文提出的反射式SLM共轴检测光路如图1所示。

图1 反射式 SLM 共轴非球面检测光路示意图

2 检测光路仿真

为对这一非球面面形检测光路进行验证,选取了一个两面皆为凹二次曲面的场镜进行检测光路仿真,该场镜的参数如表1所示。

汇聚点经过优化后不会偏离主光轴，优化后的两个面检测光路如图2所示。优化后的像面波前图如图3所示。

图2  非球面场镜的反射式 SLM 正入射共轴面形检测系统

图3 非球面面形检测系统的波前图

偏振态变化如图4所示。由图4可得,干涉仪发出圆偏振光后,经过PBS分光,竖直线偏振光在分光膜反射,水平线偏振光通过;水平线偏振光通过1/4波片后变为方向相反的圆偏振光;再经过待测面反射,第二次通过1/4波片后变为竖直线偏振光;竖直线偏振光在 PBS 分光膜上反射,通过1/2波片后变为水平线偏振光,被SLM调制;SLM 调制后,光线再经过1/2波片,变为竖直线偏振光;竖直线偏振光再次在PBS分光膜上反射,并通过1/4波片,变为圆偏振光;圆偏振光在待测面上反射后,最后一次通过1/4波片,变为水平线偏振光;水平线偏振光不在 PBS分光膜上反射,直接通过PBS,原路返回汇聚点。

图 4 检测光路偏振态变化

3 波前误差分析

由仿真结果可得,若SLM、波片、PBS都为理想光学元件,干涉仪发出的是理想球面波,则在 ZEMAX仿真中,对面1的测量里泽尼克相位面拟合精度PV和RMS可达0.0014λ、0.0002λ；面2的测量里泽尼克相位面的拟合精度PV和RMS均小于0.0001λ,干涉仪发出的光偏振态变化满足实现SLM波前调制、避免第一次从待测面反射再经过PBS时不会透过而在干涉仪处产生混叠的要求。考虑SLM为像素阵列,像素的相位调制量是根据加载到像素上的256位灰度等级决定的,因此SLM的波前相位调制并不能视为理想的状况。

在所设计的共轴检测光路中,球面波经待测面反射后再经SLM反射会沿着原路返回,因此为了方便计算,在计算SLM波前调制误差中简化光路,将SLM的调制过程简化为一个将从待测面顶点所在平面发出的球面波前调制后原路返回的模型。

图 5 SLM 波前调制误差计算模型示意图

MATLAB计算得待测面顶点平面理想相位分布和SLM调制量的相位分布如图6和图7所示。

图 6 待测面顶点平面理想相位分布

图 7 SLM调制量的相位分布

经MATLAB计算得到的PV为0.9012λ,RMS值为0.0524λ。由于相位的单位是弧度,所以模型的PV值为0.9012/2π= 0.1434λ, RMS值为0.0524/2π= 0.0083λ。可以认为该SLM在面形检测中的波前调制误差小于1/100λ,可以用来实现面形检测的功能。

论文信息：

刘嘉晖, 陈福春, 金钢, 等. 基于反射式空间光调制器的非球面面形干涉检测方法设计[ J]. 科学技术与工程, 2024, 24 (31):13262-13268.

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