基于空间光调制器的自适应补偿干涉检测技术研究

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随着光学加工水平的提高,非球面在光学设计中的应用在近三十年内快速发展,正在逐渐取代球面镜成为光学系统的主流。但相应地,非球面光学元件面型的误差检测相较球面元件难度更大,要求更高,因此需要在检测系统中添加相应的补偿元件,以使检测结果完全由待测表面与理想非球面的面型差值决定。目前针对非球面和自由曲面进行检测所使用的光学补偿元件主要为补偿透镜组、计算全息图等静态补偿元件。此类元件的特点在于根据检测光路提前计算结构并定制化生产,因此得到的补偿元件生产周期长且不具有复用性,这大大增加了非球面光学元件的检测成本。目前光学干涉检测领域需要解决的问题主要包括两个方面:其一是对大曲率、大口径等超出干涉条纹采样频率的光学表面的检测需求,这对现有补偿方式的动态范围与图像采样的空间频率提出了更高的要求,这一需求促进了超分辨成像在检测技术中的应用,推动了多重补偿技术的发展;其二是基于波前的动态补偿技术,实现检测流程与系统的通用化、智能化发展,打破补偿元件“一对一”定制化生产的限制,以达到降低制造成本,提升检测效率的研究目的。本文围绕干涉检测领域的智能化动态检测需求,引入自适应光学领域实现实时波前校正技术的思路与方案,以空间光调制器的动态调制能力为基础,结合以像差理论作为系统评价的依据,提出一种可以实现对未知曲面自适应补偿的动态干涉检测技术。其中具体内容包括:(1)研究了随机并行梯度下降算法(Stochastic Parallel Gadient Descent Algorithm)在自适应光学中的数学原理与实现方法;对干涉系统中像差的Zernike多项式拟合方法进行频域分析,选取对Zernike多项式各项变化都具有明确响应的性能参数作为系统优化的目标函数,并引入Adam优化器增强算法的收敛效率,以使SPGD算法适用于干涉检测的技术需求;(2)编写相关算法对该算法在波前补偿优化的能力进行测试,并基于光学仿真软件进行了系统模拟,验证了目标函数的合理性与算法的收敛能力,对不同拟合项数,以及不同目标表面下的算法表现进行了对比与分析,在不含有大量高阶像差的情况下补偿后波像差的RMS值可以达到亚波长级别,基本满足零位条件;(3)搭建光路对本文提出的动态干涉检测技术方案进行了实验验证。对反射式液晶空间光调制器进行了面型测量,使用本文提出的算法对其本身面型产生的像差进行了校正;同时对其相位调制的精度进行了标定,绘制相位调制响应的曲线,在实验过程中分别对面形误差与光路机械结构产生误差实现了自适应补偿。
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