透射非球面计算全息检测技术的研究

　　1　引　言

　　非球面光学元件能够用于校正象差,提高光学特性,减少光学系统的重量,简化光学系统的结构.非球面透镜随着现代光学加工技术的发展,非球面的制造成本变得和球面镜一样低.但是,在光学系统中,非球面应用的主要的障碍之一是对其进行精确的测量.用于非球面的精确测量方法是补偿法,它的基本原理是用第二个光学系统(零位透镜或零位反射镜)将非球面产生的波前转换成球面波或平面波,这个波前与已知参考波前干涉,考察干涉图的变化以得到非球面表面的误差.一般的光学补偿器由多镜片组成,制造成本高.衍射光学的快速发展,使得计算全息作为新型的补偿器受到越来越多的关注[1].常用的方法是将计算全息用于一般的干涉仪中,如泰曼-格林干涉仪和菲索干涉仪,并采用相移技术获得更高测量准确度的测量方法[2].

　　所提到的这两种干涉仪一般用于反射镜的测量,对于透射非球面镜,文献少有介绍.而透射非球面镜现在广泛地应用于广角镜头、DVD激光读数头等.马赫-泽德干涉仪对测量同质材料的光学元件具有很大的优势,因此本文采用计算全息作为补偿器与马赫-泽德干涉仪组成干涉测量系统对透射型非球面进行测量.

　　2　用于检测非球面的计算全息设计

　　光学测试对成像问题并不感兴趣,主要考虑的是波和波前的状态,因此,用于光学测试的计算全息只考虑其透射率或反射率.在光学测试中,计算全息的理想透射率通常仅由任意波的相位决定,换句话说,仅仅是相位型的计算全息才能用于光学测试.此外,任意波通常(或假设)是单位振幅,所以,透射波也是具有单位振幅的波.如果只考虑相位,设被测波为exp[i(x,y)],如果以倾斜的平面波exp(i2πx/T)为载波,两者干涉图的二元振幅透过率为

　　只考虑基频分量,由于视觉的关系,其他分量作为背景光,取m等于+1或-1为重现无光波的衍射级次,同时参考光束通过零级衍射级.取m=0和m=-1两个级次分别作为参考光波通过级次和物波的再现级次的情况是计算全息畸变误差最小的情况[3],因此应采用下面的透射率形式为

　　则m=-1级再现原波函数,m=0是参考光波通过的级次,此时计算全息的透过率为

　　从上式可知,透过率最大处在(x,y)-2πT=2nπ,n=0,±1,±2,…处,这就是制作计算全息划线处.用于补偿测量的计算全息所纪录的波函数是被测非球面偏离最接近比较球面的非球面性,需要用光线追迹的方法求出记录波函数.

　　3　非球面透镜的计算全息测量

　　3·1　测量原理与光学系统

　　实验装置是马赫-泽德干涉仪,如图1所示,光束镜准直扩束后,经分束器分为两束,一束为参考光束;另一束是测试光束,被测量的透镜与计算全息透镜放置在测试光路中.两路光束干涉,经过成像透镜将干涉图成像于接收装置中,通过分析干涉图,可以得到被测非球面的偏差.此种方法属于自参考方法,不需要参考镜,因此,其测量准确度较高.为了获得更高的测量准确度,通常采用相移的办法,可以避免扰动引起的随机误差.