动态高分辨光学波前相位测量方法转让专利
申请号 : CN202010494800.9
文献号 : CN111751012B
文献日 : 2021-12-14
发明人 : 段亚轩 , 达争尚 , 李红光 , 李铭 , 王璞 , 陈晓义 , 陈永权 , 袁索超 , 蔺辉
申请人 : 中国科学院西安光学精密机械研究所
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于动态高分辨光学波前相位测量装置测量被测光学球面元件面形的方法,其特征在于:
其采用的动态高分辨光学波前相位测量装置,包括主动光源、分光镜(4)、校准镜(9)、标准镜头(10)、辅助标准平面镜(13)、探测器(7)和计算机(8);
系统本底波前误差标定时,校准镜(9)设置在主动光源的出射光束经分光镜(4)反射后的反射光束光路上;
测试时,标准镜头(10)和辅助标准平面镜(13)设置在主动光源的出射光束经分光镜(4)反射后的反射光束光路上;
探测器(7)设置在从被测光学球面元件(11)或被测光学系统(12)返回的光束,经标准镜头(10)后再次入射至分光镜(4)后被分光镜(4)透射的透射光束光路上;
还包括设置在探测器(7)、分光镜(4)之间的混合调制光栅(6)和吸收体(5);
所述混合调制光栅(6)用于对入射至其表面的光场进行振幅和相位调制,其透光部分总面积是不透光部分总面积的2倍,透光部分对入射至其表面的光场按相位0和π进行相位调制;所述相位0和π呈棋盘式交替分布;
所述主动光源的出射光束经分光镜(4)透射后的透射光束光路上,设置有吸收体(5);
所述探测器(7)用于采集经混合调制光栅(6)调制后的光场图像;
所述计算机(8)用于对探测器(7)采集到的光场图像进行处理,获取被测光学球面元件(11)的面形,或者被测光学系统(12)的波像差;
所述测量被测光学球面元件面形的方法包括以下步骤:
1)系统本底波前误差标定:
1.1)将校准镜(9)置入测试光路中,利用探测器(7)获取被混合调制光栅(6)调制后的光场图像;
1.2)对图像进行数据处理:
1.2.1)对探测器(7)获取的图像进行快速傅里叶变换获取频谱图;
1.2.2)分别使用频域滤波窗函数提取出正交方向的两个正一级频谱,频域滤波窗函数采用Hamming函数,其满足:式中:(x0,y0)为正一级频谱中心位置坐标,(x,y)为正一级频谱x和y方向的坐标;
1.2.3)对提取出的正一级频谱利用逆傅里叶变换计算,得到x,y方向的差分波前 和
1.2.4)将x,y方向差分波前 和 代入有限差分模型即下述公式中可计算得到系统本底波前误差
式中,sh为横向剪切量;
2)光学球面元件面形测量:
2.1)从测试光路中移除校准镜(9),将标准镜头(10)和被测光学球面元件(11)置入测试光路中,保证标准镜头(10)的焦点和被测光学球面元件(11)的球心重合,利用探测器(7)获取被混合调制光栅(6)调制后的光场图像;
2.2)按照所述步骤1.2)的方法,计算波前测量结果
2.2.1)对探测器(7)获取的图像进行快速傅里叶变换获取频谱图;
2.2.2)分别使用频域滤波窗函数提取出正交方向的两个正一级频谱,频域滤波窗函数采用Hamming函数,其满足:式中:(x0,y0)为正一级频谱中心位置坐标,(x,y)为正一级频谱x和y方向的坐标;
2.2.3)对提取出的正一级频谱利用逆傅里叶变换计算,得到x,y方向的差分波前 和
2.2.4)将x,y方向差分波前 和 代入有限差分模型即下述公式中可计算得到波前测量结果
式中,sh为横向剪切量;
2.3)计算被测光学球面元件(11)的面形 为:
2.根据权利要求1所述的基于动态高分辨光学波前相位测量装置测量被测光学球面元件面形的方法,其特征在于:所述主动光源与分光镜(4)之间设置有平面反射镜(3)。
3.根据权利要求2所述的动态高分辨光学波前相位测量装置测量被测光学球面元件面形的方法,其特征在于:所述主动光源包括激光器(1)和准直镜(2)。
4.一种基权利要求1‑3任一所述的动态高分辨光学波前相位测量装置测量被测光学系统波像差的方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)系统本底波前误差标定:
1.1)将校准镜(9)置入测试光路中,利用探测器(7)获取被混合调制光栅(6)调制后的光场图像;
1.2)对图像进行数据处理:
1.2.1)对探测器(7)获取的图像进行快速傅里叶变换获取频谱图;
1.2.2)分别使用频域滤波窗函数提取出正交方向的两个正一级频谱,频域滤波窗函数采用Hamming函数,其满足:式中:(x0,y0)为正一级频谱中心位置坐标,(x,y)为正一级频谱x和y方向的坐标;
1.2.3)对提取出的正一级频谱利用逆傅里叶变换计算,得到x,y方向的差分波前 和
1.2.4)将x,y方向差分波前 和 代入有限差分模型即下述公式中可计算得到系统本底波前误差
式中,sh为横向剪切量;
2)光学系统波像差测量:
2.1)将标准镜头(10)、被测光学系统(12)和辅助标准平面镜(13)置入测试光路中,要求标准镜头(10)的F数小于被测光学系统(12)的F数,利用探测器(7)获取被混合调制光栅(6)调制后的光场图像;
2.2)按照所述步骤1.2)的方法,计算波前测量结果
2.2.1)对探测器(7)获取的图像进行快速傅里叶变换获取频谱图;
2.2.2)分别使用频域滤波窗函数提取出正交方向的两个正一级频谱,频域滤波窗函数采用Hamming函数,其满足:式中:(x0,y0)为正一级频谱中心位置坐标,(x,y)为正一级频谱x和y方向的坐标;
2.2.3)对提取出的正一级频谱利用逆傅里叶变换计算,得到x,y方向的差分波前 和
2.2.4)将x,y方向差分波前 和 代入有限差分模型即下述公式中可计算得到波前测量结果
式中,sh为横向剪切量;
2.3)计算被测光学系统(12)的波像差 为:
5.一种基于动态高分辨光学波前相位测量装置测量被测非球面光学元件面形的方法,其特征在于:
其采用的动态高分辨光学波前相位测量装置,包括主动光源、分光镜(4)、校准镜(9)、标准镜头(10)、探测器(7)和计算机(8);
系统本底波前误差标定时,校准镜(9)设置在主动光源的出射光束经分光镜(4)反射后的反射光束光路上;
测试时,标准镜头(10)设置在主动光源的出射光束经分光镜(4)反射后的反射光束光路上;
探测器(7)设置在从被测非球面光学元件返回的光束,经标准镜头(10)后再次入射至分光镜(4)后被分光镜(4)透射的透射光束光路上;
还包括设置在探测器(7)、分光镜(4)之间的混合调制光栅(6)和吸收体(5),以及设置在标准镜头(10)与被测非球面光学元件之间的计算全息片;
所述混合调制光栅(6)用于对入射至其表面的光场进行振幅和相位调制,其透光部分总面积是不透光部分总面积的2倍,透光部分对入射至其表面的光场按相位0和π进行相位调制;所述相位0和π呈棋盘式交替分布;
所述主动光源的出射光束经分光镜(4)透射后的透射光束光路上,设置有吸收体(5);
所述计算全息片的形式和具体位置由被测非球面光学元件的面形确定;
所述探测器(7)用于采集经混合调制光栅(6)调制后的光场图像;
所述计算机(8)用于对探测器(7)采集到的光场图像进行处理,获取被测非球面光学元件的面形,或者被测光学系统(12)的波像差所述测量被测非球面光学元件面形的方法包括以下步骤:
1)系统本底波前误差标定:
1.1)将校准镜(9)置入测试光路中,利用探测器(7)获取被混合调制光栅(6)调制后的光场图像;
1.2)对图像进行数据处理:
1.2.1)对探测器(7)获取的图像进行快速傅里叶变换获取频谱图;
1.2.2)分别使用频域滤波窗函数提取出正交方向的两个正一级频谱,频域滤波窗函数采用Hamming函数,其满足:式中:(x0,y0)为正一级频谱中心位置坐标,(x,y)为正一级频谱x和y方向的坐标;
1.2.3)对提取出的正一级频谱利用逆傅里叶变换计算,得到x,y方向的差分波前 和
1.2.4)将x,y方向差分波前 和 代入有限差分模型即下述公式中可计算得到系统本底波前误差
式中,sh为横向剪切量;
2)非球面光学元件面形测量:
2.1)从测试光路中移除校准镜(9),将标准镜头(10)和被测非球面光学元件置入测试光路中,利用探测器(7)获取被混合调制光栅(6)调制后的光场图像;
2.2)按照所述步骤1.2)的方法,计算波前测量结果
2.2.1)对探测器(7)获取的图像进行快速傅里叶变换获取频谱图;
2.2.2)分别使用频域滤波窗函数提取出正交方向的两个正一级频谱,频域滤波窗函数采用Hamming函数,其满足:式中:(x0,y0)为正一级频谱中心位置坐标,(x,y)为正一级频谱x和y方向的坐标;
2.2.3)对提取出的正一级频谱利用逆傅里叶变换计算,得到x,y方向的差分波前 和
2.2.4)将x,y方向差分波前 和 代入有限差分模型即下述公式中可计算得到波前测量结果
式中,sh为横向剪切量;
2.3)计算被测非球面光学元件的面形 为:
6.根据权利要求5所述的基于动态高分辨光学波前相位测量装置测量被测非球面光学元件面形的方法,其特征在于:所述主动光源与分光镜(4)之间设置有平面反射镜(3)。
说明书 :
动态高分辨光学波前相位测量方法
技术领域
背景技术
高。
测量的需求。
制的动态相移干涉仪采用偏振光干涉原理,通过掩模板(微偏振片阵列)将时间域相移转换
为空间域相移,从而实现动态干涉测量。由于数据采样点有限,并通过邻近像素点近似,测
试精度有限,且价格昂贵,成本高,经济性差。ESDI公司研制的动态相移干涉仪利用三个CCD
分别采集相移的干涉图像,然后合成计算,精度可以得到保证,但由于测试光束与参考光束
共光路,实现偏振干涉比较困难,其对三个CCD的响应一致性要求比较高,且计算速度慢,外
形体积较大,测试效率不高,并且价格昂贵,经济性差。
这两种干涉仪就不能进行测量。对于宽波段大口径、长焦距望远系统,由于色差等影响,采
用单波长进行评价,并不能真实反映光学镜头实际使用时的透射波前。同时,这两种动态相
移干涉仪的测量动态范围内有限,极大限制了其在光学粗加工面形测量中的应用。
不高。
发明内容
形和光学系统波像差的动态高分辨测量,并且不受外界环境(空气气流扰动、振动等)的影
响,很好的保证了测试精度。
调制;所述相位0和π呈棋盘式交替分布;
栅调制后的光场图像;
调制;所述相位0和π呈棋盘式交替分布;
式光学测试。
动、振动)影响;本发明在系统本底误差标定一次后,即作为系统数据,实际面形测量时只需
采集一次图像就可计算得到被测表面形貌信息,故相对传统相移干涉法,本发明不受环境
(空气扰动、振动)影响。
附图说明
助标准平面镜。
具体实施方式
辅助标准平面镜13组成。图1中虚线为可更换装置。
出光路上;分光镜4对平面反射镜3输出光束进行透射后的透射光束光路上设置吸收体5;测
试时,分光镜4对平面反射镜3输出光束进行反射后的反射光束光路上设置标准镜头10,光
学球面元件11或被测光学系统12设置在标准镜头10的焦点处;当对被测光学系统12进行测
试时,还需要在被测光学系统12的后端光路上设置辅助标准平面镜13。系统本底波前误差
标定时,分光镜4对平面反射镜3输出光束进行反射后的反射光束光路上设置校准镜9。从被
测光学球面元件11或被测光学系统12返回的光束,经校准镜9或标准镜头10后再次入射至
分光镜4后被分光镜4透射的透射光束光路上依次设置混合调制光栅6和探测器7。
分布)进行相位调制,如图5所示。混合调制光栅6的透过率函数为:
数;Comb为梳状抽样函数,(x,y)为空间坐标,j=‑1。
吸收体5吸收,从而消除杂散光的影响,反射光束通过校准镜9反射,再经过分光镜4透射后
到达混合调制光栅6,入射至混合调制光栅6表面的光束在两个正交方向上分别产生±1级
衍射光,这四束衍射光相互错位发生干涉,利用探测器7获取干涉图像。计算机8对干涉图像
的数据处理方法为:
纤输出球面波,经准直镜2准直,再通过平面反射镜3反射,然后被分光镜4分束,一部分透
射,一部分反射,透射光束被吸收体5吸收,从而消除杂散光的影响,反射光束通过标准镜头
10聚焦至被测光学球面元件11的球心处,然后通过被测光学球面元件11反射,再通过标准
镜头10准直为平行光,该平行光再经过分光镜4透射到达混合调制光栅6,入射至混合调制
光栅6表面的光束在两个正交方向上分别产生±1级衍射光,这四束衍射光相互错位发生干
涉,利用探测器7获取干涉图像。计算机8对获取的干涉图像,按照与前述系统本底波前误差
标定相同的数据处理方法得到波前测量结果 即被测光学球面元件11的面形 为:
准直镜2准直,再通过平面反射镜3反射,然后被分光镜4分束,一部分透射,一部分反射,透
射光束被吸收体5吸收,从而消除杂散光的影响,反射光束通过标准镜头10聚焦至被测光学
系统12的焦点处,通过被测光学系统12准直为平行光,该平行光经辅助标准平面镜13反射,
再依次通过被测光学系统12、标准镜头10和分光镜4后达到混合调制光栅6,入射至混合调
制光栅6表面的光束在两个正交方向上分别产生±1级衍射光,这四束衍射光相互错位发生
干涉,利用探测器7获取干涉图像。计算机8对获取的干涉图像,按照与前述系统本底波前误
差标定相同的数据处理方法得到波前测量结果 即被测光学系统12的波像差 为:
光学元件替换图3所示测试光路中的被测光学球面元件11,将计算全息片设置在标准镜头
10与被测非球面光学元件之间,测量人员需根据被测非球面光学元件的面形,设计计算全
息片的形式和计算全息片应放置的具体空间位置。测量原理和后续计算面形的方法与上述
测量和计算光学球面元件面形的方法相同,不再赘述。