一种基于检测波前编码系统的光子筛对准方法与流程

本发明涉及一种基于检测波前编码系统的光子筛对准方法，属于光学检测技术领域。

背景技术：

波前编码器件是一种非旋转式非球面，具有各个方向的光焦度和面型凹凸程度均不同的光学特性。该器件为波前编码系统的核心元件。它利用其独特的光学特性对波前进行相位编码，从而起到扩展景深的作用。所以，波前编码系统的高精度检测是实际应用的关键技术之一，也是其高精度加工的基础与保证。在球面镜误差检测时，由于通过背测球面在球面镜面型误差检验时,因为通过被测球面球心的任一直线都是球面的旋转对称轴线,所以球面检验时只要将被测球面的球心与标准球面波通常由点光源或参考面反射的像点产生的球心调整到相重合就可以了,不存在彼此光轴倾斜偏心的问题。如果采用自准式光路检测时,只要调整被测球面反射的像点与点光源本身重合就可以了。但在非球面系统检测中,由于非球面只有唯一的一条旋转对称轴线,所以非球面系统检验时不仅要求主全息与波前编码系统的顶点曲率中心重合且旋转对称轴线重合,而且要求保证两者的旋转对称轴线也彼此重合。

所以由于主全息不准会引入的离焦、倾斜及偏心误差，针对上述问题，引入一种新的对准方法来消除上述的误差，显然是有必要的。

技术实现要素：

本发明的发明目的是提供一种基于检测波前编码系统的光子筛对准方法，通过控制光子筛筛孔的位置分布得到任意的位相分布，即得到任意的非球面波前。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种基于检测波前编码系统的光子筛对准方法，在主全息外围加入光子筛，将光子筛放在汇聚光路中，通过观察光子筛的干涉条纹，采用计算全息法对波前编码系统相位进行反向调制，使得主全息与波前编码系统的顶点曲率中心重合且旋转对称轴线重合，实现主全息的精确定位。

上述光子筛满足：，其中f为光子筛的焦距，(x,y)为光子筛每个筛孔的位置，n为光子筛的环带数。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明通过在主全息外围设计了一个光子筛作为检测波前编码系统的对准系统，观察通过光子筛的干涉条纹判断主全息板是否存在离焦、偏心及倾斜，从而实现主全息的精确定位。

附图说明

图1是初始卡塞格林系统结构图。

图2是初始系统mtf图。

图3是初始系统点列图。

图4是初始系统波前图。

图5是波前编码卡塞格林系统结构图。

图6是波前编码系统mtf图。

图7是波前编码系统点列图。

图8是波前编码系统波前图。

图9是光子筛结构图。

图10是插入光子筛后波前编码卡塞格林系统结构图。

图11是插入cgh后mtf图。

图12是插入cgh后点列图。

图13是插入cgh后波前图。

其中：1、主镜；2、次镜；3、光子筛。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：本实施例将光子筛应用到检测系统的对准中，以波前编码卡塞格林系统为例，详细给出了检测系统的设计。以口径100mm的波前编码卡塞格林系统为例，检测系统的模拟残余波像差的峰谷值为18.4829，均方根为3.8282。针对波前编码系统检测过程中需要保证主全息与波前编码系统的旋转对称轴线重合，在主全息外围设计了一个光子筛作为检测系统的对准系统。

本实施例的基本原理如下：图1为初始卡塞格林两反系统，其焦距为10000mm，口径100mm，图2为编码前调制传递函数(mtf)，图3为编码前点列图，其均方根半径为0.405μm，图4为编码前波前图。

在卡塞格林系统的次镜上叠加三次面形，得到合成式编码器件的面形方程：

当相位调制因子α=22π时，可以得到三次面形系数ξ=0.00479。

图5为波前编码卡塞格林两反系统，图6为编码后调制传递函数(mtf)，图7为编码后点列图，其均方根半径为194.072μm，图8为编码后波前图，此时编码后的模拟残余波像差的峰谷值为18.4829，均方根为3.8282。

针对波前编码系统检测过程中需要保证主全息与波前编码系统的旋转对称轴线重合，在主全息外圈设计了一个光子筛作为检测系统的对准环，可以消除由于主全息定位不准所引入的离焦、倾斜及偏心误差，观察通过光子筛的干涉条纹可判断主全息板是否存在离焦、偏心及倾斜，从而实现主全息的精确定位。图3为用于检测的主全息以及对准光子筛结构示意图。其中，光子筛为设计的透光筛孔，通过控制光子筛筛孔的位置分布得到任意的位相分布，即得到任意的非球面波前。

本实施例的仿真如下：在不改变波前编码卡塞格林系统参数的前提下，加入衍射光学器件，通过在zemax设计软件中距离主镜65mm处插入一个binary1面型，将该面型的三次、四次及五次相位系数作为优化变量，优化主全息的相位系数，来对波前编码系统的相位进行反向调制，补偿波前编码系统的剩余波像差，调制后的对准光子筛结构如图9，

检测系统结构图10所示，图10为衍射器件，例如cgh，检测波前编码系统的二维光路图，衍射器件放在汇聚光路中，主全息的归一化直径为7mm，到主镜和次镜的间距依次是65mm、225mm，统长为288.15mm，图11为检测系统的mtf图，与原卡塞格林系统的mtf基本保持一致；图12为检测系统的点列图，像面上的弥散斑在爱里斑之内，均方根半径为0.368μm，相对于波前编码卡塞格林系统的弥散斑直径194.072μm减小很多，与初始卡塞格林系统的弥散斑尺寸0.405μm相比小一点，基本达到检测要求；图13为检测系统波前图，从图13中可以知道系统的残余波像差pv值为0.04λ，rms为0.009λ。

综上，光子筛的结构为易于操控的筛孔，可以通过控制光子筛筛孔的位置分布得到任意的位相分布，即得到任意的非球面波前。针对检测波前编码系统的主全息对准问题，本实施例提出一种新的对准方法，将光子筛应用到检测系统的对准中。针对波前编码系统，本实施例以波前编码卡塞格林系统为例，详细给出了从检测系统的设计。以口径100mm的波前编码卡塞格林系统为例，检测系统的模拟残余波像差的峰谷（pv）值为18.4829，均方根（rms）为3.8282，具体计算过程如下：，，其中，为波前。针对波前编码系统检测过程中需要保证主全息与波前编码系统的旋转对称轴线重合，在主全息外围设计了一个光子筛作为检测系统的对准系统，观察通过光子筛的干涉条纹判断主全息板是否存在离焦、偏心及倾斜，从而实现主全息的精确定位。

因此，本实施例的波前编码卡塞格林两反系统参数如下：系统的焦距为10m，f数为10，主镜的曲率半径为-448.894mm，conic系数为-1，次镜的曲率半径为-166.5mm，conic系数为-2.4965，次镜上叠加三次面形，其面形系数为，即。cgh的位置离主镜和次镜的间距依次是65mm、225mm，cgh的面形如下表：

将衍射补偿元件计算全息图（cgh）应用到波前编码系统的检测中，采用计算全息法，对整个波前编码系统的波前进行反向调制，以口径100mm的波前编码卡塞格林系统为例，检测系统的模拟残余波像差的峰谷值为18.4829，均方根为3.8282。在波前编码系统中添加cgh对波前编码系统进行相位补偿，补偿后的系统的残余波像差pv值为0.04λ，rms为0.009λ，将三次编码后的波前补偿为球面波，验证了计算全息图对波前编码系统检测的可行性。并且在cgh外圈设计了一个光子筛作为检测系统的对准环，观察通过光子筛的干涉条纹可判断主全息板是否存在离焦、偏心及倾斜，从而实现主全息的精确定位。