（光学工程专业论文）液晶电视用于计算全息非球面测试技术的研究.pdf

硕士论文 y5 7 1 5 09 液晶电视用于计算全息非球面测试技术的研究 摘要 本文研究了实时测量非球面的技术。论文首先重点研究了传统的用计算全息图 测量非球面的方法。但是传统的制作计算全息片的过程是一个费时费力的过程，不仅 制作成本高、时间长，而且很容易在制作过程中引入误差，所以文章在探讨了液晶电 视的光学性质及其在光学领域的应用的基础上，提出了使用液晶电视实时测量非球面 的方法。由于本课题的特殊性，文章首先从理论上分析了使用液晶电视测量非球面的 可行性，然后用模拟非球面的波像差的方法，通过实验证明了这个可行性，实验结果 无论从精确性还是测量范围来说都是能够达到要求的。文章最后做了一个测量非球面 的尝试，并对后面要做的工作做了展望。 关键词：非球面检验，计算全息图，液晶电视，实时测量非球面 硕士论文液晶电视用于计算全息非球面测试技术的研究 a b s tr a c t i nt h ist h e s is at e c h n i q u eo ft e s t i n ga s p h e r i c si sd is c u s s e d w ef ir s t d e s c rib et h em e t h o do ft e s tin ga s p h e ric su s in gc o m p u t e r g o n o r a t o d h oio g r a m s b e c a u s et r a d i t i o n a im e t h o do fm a k i n gc g hi st i m e c o n s u m e d ，h i g h c o s ta n d e a $ ii yin t r o d u c e se rr o kd u r i n gm a k i n go g h ，an e wm e t h o do ft e a i - t i m et e s t i n g a s p h e r i c s is d e v e o p e d o nt h eb a s iso f t h ed is c u s s i o no ft h eo p t i c a f c h a r a c t e ra n dt h ea p p ii c a t i o ni no t h e ro p t i c a if i e i do fl c t v ，f ir s tw ea r i a i y z e t h el e a s i b ii i t yo ft h en e w m e t h o di nt h e o r y t h e naw e ii c o n n e c t e de x p e r i m e r i t isd o n ea n dt h en e wm e t h o disp r o v e dt ob el e a s i b i e 1 nt h e i a s tp a r t ，a n a s o h e r i c ist e s t e da n di ti sa n a l y z e dt h a tt e s t i n gt h ea s o h e r i cw i t hh i g h p r e c is i o n isa b s o lu t o i yp o s s i b i e k e y w o r d s ：a s p h e r i c t e s t i n g ，c o m p u t e r g e n e r a t e dh o i o g r a m l i q u i d c r y s t a t e i e v is i o n t e a i - t i m et e s t in ga s p h e r i c s 1 1 硕j j 论文 液晶电视用于计算全息非球面测试技术的研究 1 引言 1 1 课题背景 在光学系统中采用非球面光学元件已经有3 0 0 多年的历史了，牛顿用抛物面反射 镜取代不消色差的透镜可以被认为是第一次使用非球面。自从傅科刀口法发明以来， 随着光学仪器的不断发展，对光学仪器提出了越来越高的要求，如提高系统的相对孔 径、扩大视场角、改善光照度均匀性、简化结构以及提高成像质量等等，在现有条件 下，采用多件球面光学零件组合成的光学系统的可能性是很大的，然而并不是无限的。 虽然球面镜具有加t 简单、成晶率高、易于批量生产等优点，但是球面镜在光学性能 上存在缺陷，单独成像时往往伴随有无法克服的各种光学像差，它是由于成像体系中 焦点不一致而造成系统误差，这就大大降低了成像质量。采用一系列的透镜组可以使 上述问题得以解决，但同时增加了系统的体积和造价，使结构变得复杂，就难以达到 更高的要求。在光学设计巾采用非球面元件不仅能增加光学设计的自由度，而且还可 以改善像质，提高光学性能，减小外形尺寸和重量，简化结构，有利于校正除场曲以 外的各种单色象差。因此，随着现代光学的发展，非球面光学元件已经被越来越广泛 地使用在如平版印刷系统、照相透镜、天文望远镜及眼镜等复杂的光学系统中。现在 在天文仪器和遥感观测的光学系统中，非球面的光学元件用的越来越多；随着八十年 代c d 用非球面物镜的成功研制与投入使用，小尺寸非球面的应用也获得了极大的发 展；柱面镜可以看成是。种特殊的非球面，由于它的特点，已经在一些特殊领域获得 重要应用，如眼科学中用柱面镜矫治一些眼科疾病、电影设备中的宽屏幕放映机、激 光科学t 扣的激光光斑整形、高能激光扩束、同步辐射光线束掠入剁准直与成像等。由 此看来，非球面镜在天文、航空、航天、军事、信息、照相、投影等领域的光学系统 中扮演着越来越重要的角色。近年来，新材料的出现和新的制造技术的发展使得非球 面的加工技术有了突飞猛进的发展，现在，我们可以使用一些新的流程像离子束修整、 计算机控制抛光以及磁流变成形来制造非球面元件，而且这样的新方法可以达到很高 的制造精度。但是非球面元件的制造必须与精确的非球面元件的检测技术相结合才能 得到合格的非球面，所以，现如今，非球面元件的检测已经成为现代光学测量技术研 究的前沿领域。 目前，非球面元件检测已经有许多方法，如：有激光束偏转法、刀口阴影法和干 涉法。其干涉法中还可细分为：普通干涉法、计算全息法、条纹扫描剪切干涉法、外 差干涉法和双波长仝息干涉法等。但至今没有种令人十分满意的检测技术。现在最 普遍的也是比较精确的检测方法还是计算全息干涉法，但由于干涉法测试中检测非球 面面形所需的“标准样板”不易得到，故此干涉检测方法中采用了计算机制全息图 ( c o m p u t e rg e n e r a t e dh o o g r a m ) 。 计算机制全患图简称为计算全息，蔺写为c g h 。计 硕士论文 液晶电视用于计算全息非球面测试技术的研究 算全息的最大特点是只要物波的数学模型已知，就能产生实际上并不存在物体的衍 射，因而它能精确地提供非球面镜面检测中所需要的“标准样板”，如果再辅以并不 复杂的补偿系统，则可以满足面形特殊、相对口径又比较大的非球面镜面检测的需要。 然而，这对于其它的检测技术来说却是极其困难的，故计算全息用于非球面镜检测具 有很大的优越性。如果把计算全息技术和数字波面干涉技术结合起来，可以实现对 各种非球面镜面的高精度检测。但是，般来说，采用计算全息方法测量非球面元件 时，对于每个单独的非球面元件都要专门制作一个计算全息图，计算全息图是记录在 光敏感材料上的，而且通常使用照相缩版、扫描聚焦激光束写入及电子束直接写入 等方法来制作计算全息图，照相缩版法会减小计算全息图的空间带宽积，而后两种方 法虽然所产生的计算全息图精度很高，但是却要耗费很长的时间和很大的成本。为此， 本课题力图在实时得到计算机制全息图方面做一些工作。本课题准备用液晶电视作为 记录介质，代替普通的计算全息圈记录介质，利用液晶电视的可由计算机控制的特性， 使在检测非球面工作中，省掉制作计算全息图的时间，并真正实现“实时得到全息图” 的目标。 目前国内外在非球面检验方面向着实时性和精确性等方面发展。在实时性方面， 采用各种的记录介质和光刻仪器成为主流，而在精确性方面，很多科学家都在研究更 好的计算全息图的算法来提高精度”。采用液晶电视来显示计算全息图在光学领域 也成为个热点，在光通信、光学信息处理、三维立体图像显示等领域，用液晶电视 来显示计算全息图已经成为将来发展的必然趋势而在自适应光学方面，液晶电视 已被用于校正畸变波前，9 0 年代国外就开始这方面的研究，最近国内也有人开始研究 这方面的课题”。，这与我们所提出的在干涉领域的应用有着极大的相似点，为本课题 的研究提供了先例。但是本课题对液晶电视的要求与其他领域对液晶电视的要求也有 一些不同，所以本课题先从非球面的基本概念和各种检测手段入手，深入地分析检测 非球面的重点、难点以及用计算全息的方法检测非球面时对计算全息图载体的要求， 然后分析使用液晶电视显示计算全息图测量非球面的误差和优缺点，并通过实验来得 到使用液晶电视测量绘定波像差的精度和范围，然后分析测量精度和导致误差的原 因，最后提出优化方案，得出用液晶电视实时测量非球面的可行性。 1 2 本文的主要研究工作 本课题在实时测量非球面方面做了很多有意义的尝试。论文首先较为全面地研究 了非球面的一些重要特性和测量非球面的各种常用检验方法，并且分析了各种测量方 法的特点、测量范围及各自的优缺点：接下来论文重点探讨了计算全息干涉术的基本 原理、制作计算全息图的方法、如何编制计算全息图程序、计算全息干涉术测量非球 面的原理及计算全息在光学领域的一些应用：然后论文又讨论了液晶电视的光学调制 性质及其在光学其它领域中的一些成熟的应用，由于这些应用的成熟性以及它们与本 2 硕1 论文 液晶电视用于计算全息非球面测试技术的研究 课题的些相似性，论文在分析这些应用的同时，进而提出了可以用与这些应用相似 的方法来实时地测量非球面的方法：当然，由于测量非球面的特殊性，论文又从理论 上分析了液晶电视在用于实时测量非球面的可行性问题，从两个角度分析了这可行 性问题：在理论分析的基础上，通过自行编制有给定误差的计算全息图程序，并且在 实验中使用液晶电视显示这个有给定误差豹计算全息图，使用常用的测量非球面的实 验装置测量这一给定误差，论文的实验结果证明了测量得到的误差结果与给定的误差 是完全吻合的，并且测量精度是很高的，符合非球面的一般测量精度要求：论文最后 对测量实际的非球面做了些有意义的工作，首先根据非球面和标准镜头的参数对光 路进行光线追迹得到测试光路上的波像差，然后根据这个波像差来编制程序产生非球 面的计算全息图，由于时间的关系后面的工作只能由另外一位博士来完成，但是论文 提出了对后面要做的工作的展望，提出了一些有益的看法和观点。 硕士论文 液晶电视用于计算全息非球面测试技术的研究 2 非球面测试概述 2 1 非球面的基本概念 采用球面光学系统的可能性是很大的，然而这种可能性并不是无限的。球面镜具 有加工简单、成品率高、易于批量生产等优点。但球面镜在光学性能上存在缺陷，单 独成像时往往伴随有无法克服的各种光学像差，它是由于成像体系中焦点不一致而造 成系统误差，这就大大降低了成像质量。采用一系列的透镜组可以使上述问题得以解 决，但同时增加了系统的体积和造价，使结构变得复杂。于是，非球面镜就成为一个 理想的选择，将非球面放在系统中合适的地方，就能把球面的像差做完全的校正，使 平行入射的光成像在t 点，提高分辨率和反差。非球面是相对于标准球面来定义的。球 面是指具有无数个对称轴的光学表面，它由一个参数，即球面半径决定其形状。非球面 从广义上理解是指不是球面的面，非球面理论上可以由多个参数决定其面形，并能从 ，札b 到边缘连续发生变化。但通常所说的非球面都是指旋转对称的非球面。对于非球 面而言，以子午曲线方程所决定的表面类型和制造精度要求为基础，所有非球面可分 为两大类型。：二次表面和高次表面。此外，还可分出与球面，或者与平面偏离较小 的类非球面，由于这类非球面的方程可能是二次的，也可能是高次的，因此它占据 两大基本类型的中间位置，这种非球面的加工和检验方法比其它类型非球面的要简单 的多，在光学系统中经常遇到。所有二次非球面又可分为两类。第一类包括的表面具 有优越的光学性质有对无象差点，即二次曲线的几何焦点，如旋转椭球面、抛 物面和双曲面等。第二类表面包括圆柱面、圆锥面和扁椭球面。高次非球面分为单调 子午曲线的表面( 单调表面) 和非单调表面( 施密特型及其他类型) 。对于很多高次 非球面，可以找到与其偏离最小的相应的二次非球面。 按结构类型，我们又可以把非球面分为轴对称的旋转表面和非轴对称的表面。轴 对称非球面用它的子午截线方程表示曲面的方程即可，在实际应用中，经常用三种形 式的方程表示。设光轴为x 轴，即非球面的对称轴，坐标原点取在顶点。 第一种非球面子午截线方程式为： y 2 = a ，z + n ，x 2 + 口，工3 + + a “ ()nx 211 式中a l ，a2 ，a 一a 。为方程系数。 第二种非球面子午截线方程式为： z = a ，y2 + a ，y 4 + + a y 2 “ ( 2 1 2 ) 第三种非球面子午截线方程式为： 4 硕士论文 液晶电视用于计算全息菲球面测试技术的研究 x 。i ：7 i 南+ b - y 4 + b z y 6 + 。+ 曰一y 2 “ ( 2l - 3 ) 式中，c 为近轴曲率t 且c = 1 r o ，r o 为顶点的曲率半径：k 为二次曲面偏心率 的函数，k = 1 2 。 对于式( 2 1 1 ) ，当a l = 2 r ，口2 = e 2 一l ，口3 一_ a 。= 0 时，则有 y2 = 2 r x + ( e 2 1 ) x 2 ( 2 1 4 ) 即为常用的二次非球面的二次曲线方程，e 为偏心率。 其中： 当e2 0 时，曲线为扁椭圆( 长轴为y 轴) 当e 2 = 0 时，曲线为圆 当0 0 的后沿 点b 的方程。f ( x ，y ) 的幅值为1 的坐标点满足坐标方程： c o s 2 m c t 一中( x ，力】c o s m ( x ，力 ( 3 1 1 2 ) 眠一掣争掣刖i 1 q ( x 川 ( 3 1 1 3 ) 月= o , _ - t