CN105823563A - 动态高分辨率波前测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动态高分辨率波前测量装置，包括衍射光学元件和光强传感器，衍射光学元件和光强传感器的中心轴重合，所述衍射光学元件为二维正交排布的微结构元件，所述微结构元件包括两种结构，其中奇数行奇数列与偶数行偶数列的结构相同，奇数行偶数列与偶数行奇数列的结构相同。本发明通过在一个全息片上设计两种周期结构，实现被测激光束光场的动态测量，同时省去了***标定的过程，通过使用相位恢复算法提高了波前的重构精度。

Description

动态高分辨率波前测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学波前测量领域，具体涉及动态高分辨率波前测量装置及方法。

背景技术

随着光学成像***分辨率提高，传统几何像差、光学传递函数和点扩散函数等已经无法满足高分辨率光学成像***像差描述的需求，波像差成为评价高精度光学***成像质量更严格的评价手段。同时，波前的实时测量对于光学***超精密装调、自适应光学以及大口径光学加工等领域有重要应用价值。

目前主流的波前测量仪器主要有干涉仪和哈特曼-夏克传感器两大类。专利文件EP2079223A1公开了一种使用哈特曼-夏克传感器作为波前检测装置的检测方法，采用斜率测量原理重构出待测波前。哈特曼-夏克传感器由微透镜阵列和位于其焦平面的光强传感器组成，利用测量变形波前在像面的相对位移获得波前斜率，重构出待测波前。此后，哈特曼-夏克传感器作为波前检测装置广泛应用在激光光束质量检测、自适应光学、视光学和大口径光学等领域。但其原理中的斜率重构波前利用了近似：sin(θ)≈tan(θ)≈θ，同时没能充分利用微透镜子孔径内部的光强信息，降低了待测波前的重构精度。名称为一种基于哈特曼波前传感器的波前测量方法的专利文件CN102735348公开了一种将波前斜率法和相位恢复方法相结合的波前测量方法。文献“DeterminationofwavefrontstructureforaHartmannWavefrontSensorusingaphase-retrievalmethod”[A.Polo,V.Kutchoukov,F.Bociort,etal.,Opt.Express[J],2012,20(7):7822-7832.]、“PhaseretrievalusingamodifiedShack-Hartmannwavefrontsensorwithdefocus.”[C.Li,B.Li,S.Zhang.Appl.Opt.[J],2014,53:618-624.]以及“Wave-frontreconstructionwithHartmann-Shacksensorusingaphase-retrievalmethod”[J.Li,Y.Gong,H.Chen,etal.Opt.Commun.[J],2015,336:127-133]均报道了在哈特曼传感器或哈特曼-夏克传感器中使用相位恢复的方法，克服基于斜率方法计算存在的缺点。但这些方法需要依次测量两次光强分布，无法实现波前的实时测量。

专利文件US7333216B2公开了一种利用多种周期排列的分光装置分割投影物镜待测波前的检测方法，利用分光后的干涉图样获得被测物镜的波像差信息；专利文件US7956987公开了一种包含偏振控制器和多种波前分割器的检测装置，测量分划板有小孔和狭缝两种，波前分割器有正交衍射光栅、两片正交排布的光栅以及半透半反基底多种形式。但这一系列干涉分光结构的光能利用率较低，且对于实验环境要求很高。

发明内容

为了波前测量高分辨率，并实现动态测量，本发明提出动态高分辨波前率测量装置及方法。

本发明的技术解决方案是：

一种动态高分辨率波前测量装置，包括衍射光学元件和光强传感器，其特别之处在于：衍射光学元件和光强传感器的中心轴重合，所述衍射光学元件为二维正交排布的多个微结构元件，所述微结构元件包括两类结构，其中奇数行奇数列与偶数行偶数列微结构元件的结构相同，奇数行偶数列与偶数行奇数列微结构元件的的结构相同。

上述的微结构元件为两种焦距不同的菲涅尔透镜。

为了使光强传感器能够探测到经过双周期衍射光学元件的波前振幅分布，上述光强传感器的响应波长包含衍射光学元件的工作波长λ。

为了使得经过双周期衍射光学元件的波前完全被光强传感器探测，上述衍射光学元件的孔径尺寸小于等于光强传感器的孔径尺寸。

一种动态高分辨率波前测量的方法，包括以下步骤：

步骤一：设I₀₁(u,v)和I₀₂(u,v)为光强传感器获取被测波前通过衍射光学元件中不同微结构元件后的光强分布；利用相邻子孔径之间的插值运算得到覆盖光强传感器全部采样面的两个光强分布I₁(u,v)和I₂(u,v)；

步骤二：设U_1(i)(u,v)和U_2(i)(u,v)为光强传感器获取被测波前通过衍射光学元件中不同微结构元件后的光场分布；被测波前光场分布表示为U_o(x,y)＝A(x,y)exp[j2π/λΦ₀(x,y)]；

评估被测波前的初始相位分布为Φ_1(i)(u,v)；根据光强分布I₁(u,v)＝|A₁(u,v)|²和评估的初始相位分布Φ_1(i)(u,v)得到U_1(i)(u,v)＝A₁(u,v)exp[j2π/λΦ_1(i)(u,v)]；式中i为迭代次数；λ为衍射光学元件的工作波长；

步骤三：设T₁(x,y)和T₂(x,y)为衍射光学元件全部采样区域根据不同微结构元件得到的透过率函数；逆光轴方向的两个透过率函数表示为Tˊ₁(x,y)和Tˊ₂(x,y)，根据Tˊ₁(x,y)和步骤二得到的U_1(i)(u,v)进行逆向光场传输计算，得到被测波前近场光场分布U_o(i)(x,y)；其中F表示傅里叶变换，F^-1表示傅里叶逆变换，f_u和f_v表示远场空间频率，j为虚数，k为波数，f表示衍射元件距离光强传感器的距离；

步骤四：根据T₂(x,y)和步骤三得到的U_o(i)(x,y)进行正向光场传输计算，得到其中f_x和f_y表示近场空间频率，计算误差函数；

${\mathrm{\δ}}_{\left(i\right)}=\frac{\∫\∫{\left(\right|U_{2\left(i\right)}\left(u,v\right)|-\sqrt{I_2\left(u,v\right)})}^{2}dudv}{\∫\∫I_{2}dudv}$

步骤五：改变初始相位分布Φ_1(i+1)(u,v)，重复步骤二、步骤三和步骤四，直到误差函数接近0，停止计算，得到被测波前的近场光场分布U_o(x,y)＝A(x,y)exp[j2π/λΦ₀(x,y)]。

光强传感器获取被测波前在远场的光强分布，按照双周期衍射光学元件两种周期对应的口径将光强分布分为两个不同光强分布，利用相邻子孔径之间的插值运算得到覆盖光强传感器全部采样面的均匀间隔两个光强分布；利用相位恢复算法根据两个光强分布恢复出被测波前的振幅分布和相位分布。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过在一个全息片上设计两种周期结构，实现被测激光束光场的动态测量，同时省去了***标定的过程，通过使用相位恢复算法提高了波前的重构精度；

2、本发明中菲涅尔透镜周期排布，采用相位补偿的方法，减小或增加奇数波带的厚度，使光通过偶数波带相对于奇数波带产生π的相位变化，这样通过偶数波带的光和奇数波带的光在主焦点相位相同，相互加强，本方法光能利用率更高。

附图说明

图1本发明动态高分辨波前率测量装置结构图。

图2本发明衍射光学元件结构示意图。

图3本发明光强分布填充示意图。

图中附图标记为：101-被测波前；102-衍射光学元件；103-光强传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，本发明动态高分辨率波前测量装置，包含衍射光学元件102和光强传感器103，衍射光学元件102和光强传感器103的中心轴重合，集成在一起，间距为l。光强传感器103的响应波长包含衍射光学元件102的工作波长λ，使光强传感器103能够探测到经过双周期衍射光学元件102的波前振幅分布。衍射光学元件102的孔径尺寸小于等于光强传感器103的孔径尺寸，使得经过双周期衍射光学元件102的波前完全被光强传感器103探测。如图2所示，衍射光学元件102为二维正交排布的周期微结构元件，微结构元件的口径d为矩形，同时存在两种周期结构，这两个周期结构为两个焦距不同的菲涅尔透镜的形式，其中奇数行奇数列与偶数行偶数列的结构相同，透过率函数表示为焦距为f₁，k＝2π/λ，奇数行偶数列与偶数行奇数列的结构相同，透过率函数表示为焦距为f₂。采用相位补偿的方法，减小或增加奇数波带的厚度，使光通过偶数波带相对于奇数波带产生π的相位变化，这样通过偶数波带的光和奇数波带的光在主焦点相位相同，相互加强，本方法光能利用率更高。菲涅尔透镜所有衍射级次沿光轴分布，因此其他级次不影响相邻孔径内的光场分布。可通过在玻璃表面刻蚀或者薄膜沉积的方法形成浮雕型结构，构成二元相位菲涅尔透镜。

光强传感器103获取被测波前101通过衍射光学元件102后的光强分布为I(u,v)，采样数为n×n。按照衍射光学元件102两种结构对应的口径将I(u,v)分为I₀₁(u,v)和I₀₂(u,v)，采样数均为n/2×n/2。

如图3所示，I₀₁(u,v)中子孔径5的光强信息缺失，根据其相邻1～4个子孔径中的光强分布利用三次样条插值运算估计子孔径5的光强分布，其他缺失子孔径的光强信息也按照本方法获取。若缺失的子孔径位于衍射光学元件采样阵列的边缘，则根据相邻3个子孔径的光强信息进行估计；若缺失的子孔径位于采样阵列的边角，则根据相邻2个子孔径的光强信息进行估计。得到覆盖光强传感器全部采样面的均匀间隔光强分布I₁(u,v)，采样数为n×n。I₀₂(u,v)中缺失的光强信息也按照此方法进行估计，得到覆盖光强传感器全部采样面的均匀间隔光强分布I₂(u,v)，采样数为n×n；利用梯度相位恢复算法根据两个光强分布I₁(u,v)和I₂(u,v)恢复出被测波前101的振幅分布A(x,y)和相位分布Φ₀(x,y)。

具体的恢复算法过程如下：

步骤一，衍射光学元件102全部采样区域用两种透过率函数表示T₁(x,y)和T₂(x,y)，分别是两类单元透过率函数t₁(x,y)和t₂(x,y)做周期运算和得到；其中m为子孔径的行数，n为子孔径的列数。

逆光轴方向的两个透过率函数表示为Tˊ₁(x,y)和Tˊ₂(x,y)。被测波前101光场分布表示为U_o(x,y)＝A(x,y)exp[j2π/λΦ₀(x,y)]。

根据光强分布I₁(u,v)＝|A₁(u,v)|²和估计的初始相位分布Φ_1(i)(u,v)(i为迭代次数)，得到光强传感器103的衍射光学元件102第一种透过率函数下的光场分布U_1(i)(u,v)＝A₁(u,v)exp[j2π/λΦ_1(i)(u,v)]；

步骤二，根据光强传感器103的第一种光场分布U_1(i)(u,v)和Tˊ₁(x,y)进行逆向光场传输计算，得到被测波前101近场光场分布U_o(i)(x,y)；其中F表示傅里叶变换，F^-1表示傅里叶逆变换，f_u和f_v表示远场空间频率；

步骤三，根据被测波前101近场光场分布U_o(i)(x,y)和衍射光学元件102第二种透过率函数T₂(x,y)进行正向光场传输计算，得到光强传感器103的另一种光场分布，其中f_x和f_y表示近场空间频率，计算误差函数；

${\mathrm{\δ}}_{\left(i\right)}=\frac{\∫\∫{\left(\right|U_{2\left(i\right)}\left(u,v\right)|-\sqrt{I_2\left(u,v\right)})}^{2}dudv}{\∫\∫I_{2}dudv}$

步骤四，略微改变初始相位分布Φ_1(i+1)(u,v)，重复步骤二、三，得到误差函数δ_(i+1)；

重复上述计算步骤，直到误差函数接近0，停止计算，得到被测波前101的近场光场分布U_o(x,y)＝A(x,y)exp[j2π/λΦ₀(x,y)]。

Claims (5)

1.一种动态高分辨率波前测量装置，包括衍射光学元件和光强传感器，其特征在于：衍射光学元件和光强传感器的中心轴重合，所述衍射光学元件为二维正交排布的多个微结构元件，其中奇数行奇数列与偶数行偶数列的微结构元件的结构相同，奇数行偶数列与偶数行奇数列的微结构元件的结构相同。

2.根据权利要求1所述的动态高分辨率波前测量装置，其特征在于：所述的微结构元件为两种焦距不同的菲涅尔透镜。

3.根据权利要求1所述的动态高分辨率波前测量装置，其特征在于：光强传感器的响应波长包含衍射光学元件的工作波长λ。

4.根据权利要求1所述的动态高分辨率波前测量装置，其特征在于：衍射光学元件的孔径尺寸小于等于光强传感器的孔径尺寸。

5.动态高分辨率波前测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：设I₀₁(u,v)和I₀₂(u,v)为光强传感器获取被测波前通过衍射光学元件中不同微结构元件后的光强分布；利用相邻子孔径之间的插值运算得到覆盖光强传感器全部采样面的两个光强分布I₁(u,v)和I₂(u,v)；

步骤二：设U_1(i)(u,v)和U_2(i)(u,v)为光强传感器获取被测波前通过衍射光学元件中不同微结构元件后的光场分布；被测波前光场分布表示为U_o(x,y)＝A(x,y)exp[j2π/λΦ₀(x,y)]；

评估被测波前的初始相位分布为Φ_1(i)(u,v)；根据光强分布I₁(u,v)＝|A₁(u,v)|²和评估的初始相位分布Φ_1(i)(u,v)得到U_1(i)(u,v)＝A₁(u,v)exp[j2π/λΦ_1(i)(u,v)]；式中i为迭代次数；λ为衍射光学元件的工作波长；

步骤三：设T₁(x,y)和T₂(x,y)为衍射光学元件全部采样区域根据不同微结构元件得到的透过率函数；逆光轴方向的两个透过率函数表示为Tˊ₁(x,y)和Tˊ₂(x,y)，根据Tˊ₁(x,y)和步骤二得到的U_1(i)(u,v)进行逆向光场传输计算，得到被测波前近场光场分布U_o(i)(x,y)；其中F表示傅里叶变换，F^-1表示傅里叶逆变换，j为虚数，k为波数，f表示衍射元件距离光强传感器的距离，f_u和f_v表示远场空间频率；

步骤四：根据T₂(x,y)和步骤三得到的U_o(i)(x,y)进行正向光场传输计算，得到其中f_x和f_y表示近场空间频率，计算误差函数；

${\mathrm{\δ}}_{\left(i\right)}=\frac{\∫\∫{\left(\right|U_{2\left(i\right)}(u,v)|-\sqrt{I_2(u,v)})}^{2}dudv}{\∫\∫I_{2}dudv}$

步骤五：改变初始相位分布Φ_1(i+1)(u,v)，重复步骤二、步骤三和步骤四，直到误差函数接近0，停止计算，得到被测波前的近场光场分布U_o(x,y)＝A(x,y)exp[j2π/λΦ₀(x,y)]。