[發明專利]一種結合自適應光學技術的大動態范圍、高精度相位差法波前測量儀

有效

• 申請號: 201711324980.0
• 申請日: 2017-12-13
• 公開（公告）號: CN108061639B
• 公開（公告）日: 2019-12-03
• 發明（設計）人: 鮑華;饒長輝;饒學軍;朱磊;郭有明;張蘭強;孔林;鐘立波
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種結合自適應光學技術的大動態范圍、高精度相位差法波前測量儀，由光源激光器、平行光準直系統、光束共軛?匹配系統、波前校正器、相位差波前傳感器和高性能計算處理系統組成，所述的波前測量儀：利用波前校正器為相位差波前傳感器引入多組精確已知的相位差異信息，構成多通道相位差波前畸變約束，顯著提高傳統相位差法的像差探測范圍和靈敏度；利用波前校正器、相位差波前傳感器和高性能計算處理系統構成自適應光學波前像差閉環校正?測量系統，對校正后的殘余像差進行持續檢測，使得經相位補償后的畸變光波將逐步并最終逼近理想光學平面光波，此時波前校正器的校正量即為待測波前像差的準確數值。

技術領域

本發明屬于自適應光學和光學檢測領域，具體涉及一種結合自適應光學技術的大動態范圍、高精度相位差法波前測量儀。

背景技術

基于波前測量技術的光學檢測是現代光學中的一個重要發展方向。十九世紀六十年代激光器的發明，為波前測量技術提供了很好的相干照明光源，而電子技術和計算機技術的飛速發展，又促使光、機、電等多學科的新技術能夠綜合應用于波前測量，大大擴展了波前測量技術的實現手段和應用范圍。作為一種非接觸性測量方法，波前測量技術已被廣泛應用在物理實驗、光學器件和系統檢測、光束診斷和自適應光學等領域。目前比較成熟的波前測量方法主要分為四種：干涉測量法、斜率測量法、曲率測量法和基于強度測量的反演法，這些技術對應的波前傳感器具有各自優缺點。

干涉法是一種直接相位測量方法，它是通過將待測畸變波前與標準平面光波前進行比較，從而獲得波前測量數據，典型裝置如Michelson、Mach-Zehnder干涉儀等。干涉儀具有高空間采樣率、高測量精度等優點，已廣泛用于光學檢測、流場光學層析測量等領域，目前Wyko、Zygo以及Precision-optical Engineering等公司均已推出商品化的干涉儀產品，但干涉法波前測量裝置結構復雜，外界震動、溫度變化等均會給測量結果帶來較大誤差，限制了其在工程惡劣環境中的應用；另一方面，干涉測量法依靠干涉條紋圖記錄波前相位信息，而干涉條紋的提取和處理方法較復雜，不適于隨時間劇烈變化的波前像差測量，并且當待測像差尺度較大時，干涉條紋過密將導致相位測量無法計算，為此人們研制出紅外干涉儀和可見光干涉儀分別應用于大動態范圍和高精度波前像差測量的環境，但由于測量波長的物理限制，它們都不能同時具備大動態范圍和高精度像差測量的能力。針對傳統干涉測量法的不足，黃磊等提出了一種SPGD結合干涉法的自由曲面精密測量技術(Lei Huangetc.Adaptive interferometric null testing for unknown freeform opticsmetrology,Opt.Letters,2016.41(23):5539～5542.)，該方法能在一定程度上提高干涉法對幾何曲面像差的測量范圍，但是當待測像差中包含較多高頻成份時，SPDG搜索算法難以實現初始光斑的有效收斂，干涉法測量過程將無法繼續進行；此外基于干涉法的測量技術目前只適用于點目標測量對象，不能運用于擴展目標的像差測量。

斜率測量法的典型裝置是哈特曼波前傳感器(Hartmann-Shark wavefrontsensor，HS-WFS)，它是由微透鏡陣列和質心探測器組成，其基本原理是通過微透鏡陣列將待測波面分割成若干個采樣單元，并假設采樣單元內的光波近似為平面光波，這些采樣單元的光波分別由各個獨立的微透鏡匯聚到位于焦面處的質心探測器，形成離散的哈特曼光斑圖像，每個子孔徑內的波前傾斜將造成光斑質心在水平和豎直方向的偏移，對應采樣單元的光波在兩個方向的波前斜率，利用子孔徑波前斜率結合復原算法就可以得到待測波前像差。哈特曼波前傳感器以其較高的測量實時性、合適的測量精度，已廣泛應用于自適應光學、鏡面檢測、激光參數測量、人眼像差測量、光路準直等方面。但哈特曼波前傳感器通過微透鏡陣列對待測波面進行離散采樣，其空間采樣率通常較低，目前僅適合于幾何像差檢測，難以運用于高精度以及非連續波前像差測量。