CN112504164A - 可动态测量平面光学元件面形的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

为了解决现有的平面光学元件面形测量装置测量精度低、测量动态范围小、测量实时性差的技术问题，本发明提出了一种可动态测量平面光学元件面形的测量装置及方法。本发明利用激光器、分光镜、准直物镜、衰减板、远场瞄准探测器、小孔、目镜、二元光学器件、探测器，实现对被测平面光学元件面形的动态高分辨率测量，测量过程不受外界环境的影响；利用远场瞄准探测器对被测平面光学元件相对入射至其表面光束之间的倾斜信息进行实时测量，从而实现高精度对准，保证了后续能实现高精度测量；采用的二元光学器件为微透镜阵列或者混合调制光栅，对应的测量原理分别为哈特曼‑夏克原理和横向剪切干涉原理，其相比传统相移干涉法具有更大测量动态范围。

Description

可动态测量平面光学元件面形的测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种平面光学元件面形测量装置及方法，尤其涉及一种可动态测量平面光学元件面形的装置及方法。

背景技术

随着高功率激光装置建设规模越来越大，平面光学元件的使用数量越来越多。由于平面光学元件面形会严重影响激光装置中的光束质量和光束聚焦性能。因此，平面光学元件面形外场动态测量的需求日益迫切。

传统压电陶瓷驱动的静态相移干涉仪(如美国Zygo相移激光干涉仪)，由于通过在时间域上进行相移来得到被测波前相位结果，故易受空气气流扰动和振动的影响，尤其对于大口径光学元件，对测量环境的要求更苛刻，所以此干涉仪无法满足外场动态测量的需求。

在动态测量方面，主要以ESDI公司和美国4D公司研制的动态干涉仪为代表。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。4D公司研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。同时，这两种干涉仪的测量动态范围小。

综上所述，平面光学元件面形测量逐步向动态、高分辨及大口径的方向发展。目前市场上商用的测量仪器在平面光学元件面形测量中存在测量精度、测量动态范围和实时性方面的局限性。

发明内容

为了解决现有的平面光学元件面形测量装置测量精度低、测量动态范围小、测量实时性差的技术问题，本发明提出了一种可动态测量平面光学元件面形的测量装置及方法。

本发明采用的技术方案如下：

可动态测量平面光学元件面形的测量装置，其特殊之处在于：包括激光器、第一分光镜、准直物镜、第二分光镜、衰减板、远场瞄准探测器、小孔、目镜、二元光学器件、探测器和图像数据处理单元；

第一分光镜设置在激光器的输出光路上，准直物镜设置在激光器输出光束经第一分光镜透射后的透射光路上，第二分光镜、衰减板和远场瞄准探测器依次设置在准直物镜出射光束经第一分光镜反射后的反射光路上；小孔、目镜、二元光学器件和探测器依次设置在第一分光镜的出射光束经第二分光镜反射后的反射光路上；

二元光学器件用于调制入射至其上的光场；

远场瞄准探测器用于探测经被测平面光学元件自准反射回的远场焦斑图像；

探测器用于探测二元光学器件调制后的光场图像；

图像数据处理单元用于对远场瞄准探测器获取的远场焦斑图像进行处理，得到被测平面光学元件相对入射至其表面光束之间的方位角和俯仰角；还用于对探测器获取的图像进行处理，得到被测平面光学元件的面形三维信息。

进一步地，二元光学器件为二维排布的微透镜阵列；微透镜阵列中所有透镜的孔径和焦距相同。

进一步地，二元光学器件为二维排布的平凸透镜阵列；平凸透镜阵列中所有平凸透镜的孔径和焦距相同。

进一步地，图像数据处理单元对探测器获取的图像进行处理，得到被测平面光学元件的面形三维信息的具体方法为：

步骤1，计算每个子孔径内的光斑质心相对参考位置x和y方向的偏移Δx，Δy；

步骤2，计算被微透镜阵列分割的子孔径范围内x和y方向的波前的平均斜率：

式中，f为平凸透镜焦距，S_x为x方向的波前的平均斜率，S_y为y方向的波前的平均斜率；

步骤3，将S_x和S_y代入下述有限差分模型中，计算得到待测平面光学元件的面形

式中，N为微透镜阵列行列数，h为微透镜阵列子孔径大小，

分别为微透镜阵列中位置为(i,j)的子孔径内x方向和y方向的波前平均斜率。

或者，二元光学器件为混合调制光栅，用于对入射至其表面的光场进行振幅和相位调制，其透光部分大小是不透光部分大小的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。

进一步地，图像数据处理单元对探测器获取的图像进行处理，得到被测平面光学元件的面形三维信息的具体方法为：

步骤1，对获取的干涉图像进行快速傅里叶变换获取频谱图；

步骤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；

步骤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

步骤4，将x，y方向差分波前

和

代入下述有限差分模型中，计算得到被测平面光学元件(11)的面形

式中，sh为横向剪切量。

本发明同时提供了一种基于上述的可动态测量平面光学元件面形的测量装置测量平面光学元件面形的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

第一步：瞄准

调节测量装置的方位和俯仰，使得被测平面光学元件相对入射至其表面光束之间的方位角θ_Az和俯仰角θ_EL分别小于0.5″，瞄准任务完成；

其中，方位角θ_Az和俯仰角θ_EL按照下述方法获取：

图像数据处理单元对远场瞄准探测器获取的远场焦斑图像进行处理，得到光斑的质心坐标相对靶面中心的偏移量为(Δx_m,Δy_m)，则被测平面光学元件相对入射至其表面光束之间的方位角θ_Az和俯仰角θ_EL分别为：

θ_Az＝Δx_m/(2·f_ob)

θ_EL＝Δy_m/(2·f_ob)

式中，f_ob为准直物镜的焦距；

第二步：测量

图像数据处理单元对探测器获取的图像进行处理，得到被测平面光学元件的面形三维信息。

本发明的优点在于：

1、本发明利用激光器、分光镜、准直物镜、衰减板、远场瞄准探测器、小孔、目镜、二元光学器件、探测器，实现对被测平面光学元件面形的动态高分辨率测量，测量过程不受外界环境(空气气流扰动、振动等)的影响，并很好的保证了测试精度。

2、本发明利用远场瞄准探测器对被测平面光学元件相对入射至其表面光束之间的倾斜信息(方位角和俯仰角)进行实时测量，从而实现高精度对准，保证了后续能实现高精度测量。

3、本发明中二元光学器件可采用微透镜阵列或者混合调制光栅，从而可实现不同尺度和分辨率下的被测平面光学元件面形测量。

4、传统相移法需要分时进行固定相位调制，并采集每个时刻下的相位调制图像，然后根据不同时刻的相位调制图像，计算得到被测平面光学元件表面形貌信息，此方法易受环境(空气扰动、振动)影响；本发明只需采集一次图像就可计算得到被测平面光学元件表面形貌信息，故相对传统相移干涉法，本发明可单次曝光和实时动态测量，极大地提高了测量效率，且不受环境(空气扰动、振动)影响。

5、本发明采用的二元光学器件为微透镜阵列或者混合调制光栅，对应的测量原理分别为哈特曼-夏克原理和横向剪切干涉原理，其相比传统相移干涉法具有更大测量动态范围。

6.本发明的光路采用共光路设计，避免了分光棱镜的使用，降低了成本。

7.本发明中测量激光束经准直物镜后入射至被测平面光学元件上，由于准直物镜的口径可以做的比较大，因此本发明能够测量大口径的平面光学元件。

8.本发明人工环节少，无人为主观误差，可高精度定量化测量。

9.经实验验证，本发明稳定性高、重复性好，测量结果置信度高。

10.本发明经济性好，精度高，更适合于生产车间的检验。

附图说明

图1是本发明的原理示意图。

图2是本发明中二元光学器件的原理示意图，(a)为二元光学器件为微透镜阵列的原理示意图，(b)为二元光学器件为混合调制光栅的原理示意图。

图3是混合调制光栅的透射函数示意图，白色为0相位调制，黑色为π相位调制，灰色为不透光部分。

附图标记：

1-激光器；2-第一分光镜；3-准直物镜、4-第二分光镜；5-衰减板；6-远场瞄准探测器；7-小孔；8-目镜；9-二元光学器件；91-微透镜阵列；92-混合调制光栅；10-探测器；11-被测平面光学元件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明所提供的可动态测量平面光学元件面形的测量装置，包括激光器1、第一分光镜2、准直物镜3、第二分光镜4、衰减板5、远场瞄准探测器6、小孔7(孔径小于1mm)、目镜8、二元光学器件9、探测器10和图像数据处理单元(图中未示出)。

第一分光镜2设置在激光器1的输出光路上，准直物镜3和被测平面光学元件11依次设置在激光器输出光束经第一分光镜2透射后的透射光路上，第二分光镜4、衰减板5和远场瞄准探测器6依次设置在准直物镜3出射光束经第一分光镜2反射后的反射光路上；小孔7、目镜8、二元光学器件9和探测器10依次设置在第一分光镜2的出射光束经第二分光镜4反射后的反射光路上。

激光器1单模光纤输出，要求功率短期内稳定，波长可根据实际需求定制。

二元光学器件9用于调制入射至其上的光场，二元光学器件9可以采用微透镜阵列91或者混合调光栅92。

如图2中(a)所示，微透镜阵列91为二维排布的平凸透镜阵列，其中所有平凸透镜的参数(孔径和焦距)相同。

如图2中(b)所示，混合调制光栅92对入射至其表面的光场进行振幅和相位调制，其透光部分大小(总面积)是不透光部分大小(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(棋盘式交替分布)进行相位调制，如图3所示。混合调制光栅92透过率函数为：

式中，d为光栅栅距；a为混合调制光栅透光部分大小(即透光面积)；rect为矩形函数；Comb为梳状抽样函数，(x,y)为空间坐标，j²＝-1。

远场瞄准探测器6用于探测经被测平面光学元件11自准反射回的远场焦斑图像；

探测器10用于探测二元光学器件9调制后的光场图像；

图像数据处理单元用于对远场瞄准探测器6获取的远场焦斑图像进行处理，得到被测平面光学元件11相对入射至其表面光束之间的倾斜信息(方位角和俯仰角)。同时，图像数据处理单元还用于对探测器10获取的图像进行处理，得到被测平面光学元件11的面形三维信息。

本发明具体工作过程和原理如下：

激光器1单模光纤输出激光束经过第一分光镜2透射，并经过准直物镜3准直，入射至被测平面光学元件11，携带被测平面光学元件11面形信息的光场经被测平面光学元件11反射，然后经准直物镜3会聚，经过第一分光镜2反射，然后经过第二分光镜4一部分反射，另一部分透射，透射光束经过衰减板5，聚焦到远场瞄准探测器6的靶面上，反射光束依次经过滤波小孔7和目镜8准直，入射至二元光学器件9上，经过二元光学器件9调制，并由探测器10接收。

本发明测量装置工作分为两个阶段：1)瞄准；2)测量。

1)瞄准

图像数据处理单元对远场瞄准探测器6获取的远场焦斑图像进行处理，得到光斑的质心坐标相对靶面中心的偏移量为(Δx_m,Δy_m)，则被测平面光学元件11相对入射至其表面光束之间的方位角θ_Az和俯仰角θ_EL分别为：

θ_Az＝Δx_m/(2·f_ob) (2)

θ_EL＝Δy_m/(2·f_ob) (3)

式中，f_ob为准直物镜3的焦距。

调节测量装置的方位和俯仰使得方位角θ_Az和俯仰角θ_EL分别小于0.5″，瞄准任务完成。

2)测量

根据二元光学器件9采用的形式不同，测量阶段有两种工作模式。

工作模式1：二元光学器件9采用微透镜阵列91

此模式下，入射至微透镜阵列91表面的光束被调制成二维光斑点阵，并由探测器10获取光斑点阵图像。数据处理方法为：

Step1：计算每个子孔径内的光斑质心相对参考位置x和y方向的偏移Δx，Δy；参考位置x和y是事先对测量装置误差标定的位置，标定方法为本领域公知方法；

Step2：计算被微透镜阵列91分割的子孔径范围内x和y方向的波前的平均斜率：

式中，f为平凸透镜焦距，S_x为x方向的波前的平均斜率，S_y为y方向的波前的平均斜率。

Step3:将S_x和S_y代入有限差分模型即下述公式(5)中，计算得到待测平面光学元件11的面形

式中，N为微透镜阵列行列数，h为微透镜阵列子孔径大小，

为微透镜阵列中位置为(i,j)的子孔径内x方向的波前平均斜率，

为微透镜阵列中位置为(i,j)的子孔径内y方向的波前平均斜率。

工作模式2：二元光学器件9采用混合调制光栅92

此模式下，入射至混合调制光栅92表面的光束在两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10获取干涉图像。数据处理方法为：

Step1：对获取的干涉图像进行快速傅里叶变换(FFT)获取频谱图；

Step2：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窗函数，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。

Step3:对提取出的正一级频谱利用逆快速傅里叶变换(iFFT)计算，得到x，y方向的差分波前

和

Step4:将x，y方向差分波前

和

代入有限差分模型即下述公式(7)中，计算得到被测平面光学元件11的面形

式中，sh为横向剪切量。

Claims (7)

1.可动态测量平面光学元件面形的测量装置，其特征在于：包括激光器(1)、第一分光镜(2)、准直物镜(3)、第二分光镜(4)、衰减板(5)、远场瞄准探测器(6)、小孔(7)、目镜(8)、二元光学器件(9)、探测器(10)和图像数据处理单元；

第一分光镜(2)设置在激光器(1)的输出光路上，准直物镜(3)设置在激光器输出光束经第一分光镜(2)透射后的透射光路上，第二分光镜(4)、衰减板(5)和远场瞄准探测器(6)依次设置在准直物镜(3)出射光束经第一分光镜(2)反射后的反射光路上；小孔(7)、目镜(8)、二元光学器件(9)和探测器(10)依次设置在第一分光镜(2)的出射光束经第二分光镜(4)反射后的反射光路上；

二元光学器件(9)用于调制入射至其上的光场；

远场瞄准探测器(6)用于探测经被测平面光学元件(11)自准反射回的远场焦斑图像；

探测器(10)用于探测二元光学器件(9)调制后的光场图像；

图像数据处理单元用于对远场瞄准探测器(6)获取的远场焦斑图像进行处理，得到被测平面光学元件(11)相对入射至其表面光束之间的方位角和俯仰角；还用于对探测器(10)获取的图像进行处理，得到被测平面光学元件(11)的面形三维信息。

2.根据权利要求1所述的可动态测量平面光学元件面形的测量装置，其特征在于：二元光学器件(9)为二维排布的微透镜阵列；微透镜阵列中所有透镜的孔径和焦距相同。

3.根据权利要求2所述的可动态测量平面光学元件面形的测量装置，其特征在于：二元光学器件(9)为二维排布的平凸透镜阵列；平凸透镜阵列中所有平凸透镜的孔径和焦距相同。

4.根据权利要求3所述的可动态测量平面光学元件面形的测量装置，其特征在于：图像数据处理单元对探测器(10)获取的图像进行处理，得到被测平面光学元件(11)的面形三维信息的具体方法为：

步骤1，计算每个子孔径内的光斑质心相对参考位置x和y方向的偏移Δx，Δy；

步骤2，计算被微透镜阵列(91)分割的子孔径范围内x和y方向的波前的平均斜率：

式中，f为平凸透镜焦距，S_x为x方向的波前的平均斜率，S_y为y方向的波前的平均斜率；

步骤3，将S_x和S_y代入下述有限差分模型中，计算得到待测平面光学元件(11)的面形

式中，N为微透镜阵列行列数，h为微透镜阵列子孔径大小，

分别为微透镜阵列中位置为(i,j)的子孔径内x方向和y方向的波前平均斜率。

5.根据权利要求1所述的可动态测量平面光学元件面形的测量装置，其特征在于：二元光学器件(9)为混合调制光栅，用于对入射至其表面的光场进行振幅和相位调制，其透光部分大小是不透光部分大小的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。

6.根据权利要求5所述的可动态测量平面光学元件面形的测量装置，其特征在于：图像数据处理单元对探测器(10)获取的图像进行处理，得到被测平面光学元件(11)的面形三维信息的具体方法为：

步骤1，对获取的干涉图像进行快速傅里叶变换获取频谱图；

步骤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；

步骤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

步骤4，将x，y方向差分波前

和

代入下述有限差分模型中，计算得到被测平面光学元件(11)的面形

式中，sh为横向剪切量。

7.基于权利要求1-6任一所述的可动态测量平面光学元件面形的测量装置测量平面光学元件面形的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：瞄准

调节测量装置的方位和俯仰，使得被测平面光学元件(11)相对入射至其表面光束之间的方位角θ_Az和俯仰角θ_EL分别小于0.5″，瞄准任务完成；

其中，方位角θ_Az和俯仰角θ_EL按照下述方法获取：

图像数据处理单元对远场瞄准探测器(6)获取的远场焦斑图像进行处理，得到光斑的质心坐标相对靶面中心的偏移量为(Δx_m,Δy_m)，则被测平面光学元件(11)相对入射至其表面光束之间的方位角θ_Az和俯仰角θ_EL分别为：

θ_Az＝Δx_m/(2·f_ob)

θ_EL＝Δy_m/(2·f_ob)

式中，f_ob为准直物镜(3)的焦距；

第二步：测量

图像数据处理单元对探测器(10)获取的图像进行处理，得到被测平面光学元件(11)的面形三维信息。

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