[發明專利]基于散斑場相位恢復的復雜光學曲面面形誤差檢測方法

在審

• 申請號: 202010973974.3
• 申請日: 2020-09-16
• 公開（公告）號: CN112097681A
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發明（設計）人: 何宇航;劉旭;劉勇;柴立群
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院激光聚變研究中心
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01M11/02
• 代理公司: 北京慕達星云知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 曹鵬飛

本發明公開了基于散斑場相位恢復的復雜光學曲面面形誤差檢測方法，基于隨機振幅掩膜板調制的波前恢復方案設計，采用隨機振幅掩膜板對波前信息進行調制，將低空間頻率分布的強度圖案轉化為高空間頻率分布的散斑圖案，有利于波前重建算法恢復高保真度的波前信息；將被測元件與隨機振幅掩膜板由望遠成像系統構成物像共軛關系，使得隨機振幅掩膜板處的波前相位可以直接映射到元件的波前相位，不需要對隨機振幅掩膜板的振幅信息事先進行標定；該方法使其測量精度與光斑采集的位置無關，可以應用于復雜光學曲面面形誤差的高精度檢測，測量精度的穩定性較高。

技術領域

本發明涉及光學計量技術領域，特別涉及基于散斑場相位恢復的復雜光學曲面面形誤差檢測方法。

背景技術

將非球面、自由曲面等復雜光學曲面取代傳統的球面應用于成像系統，可以起到簡化結構、優化像質、降低光能損失以及減少體積和重量的作用。而非球面、自由曲面加工質量的不斷提升，是實現現代光學系統優異性能的前提條件。

檢測技術作為光學精密加工技術的重要組成部分，是評價光學元件加工精度能否滿足要求、為后續加工提供指導依據的唯一手段。對于復雜光學曲面面形誤差的檢測，主要方法有三坐標輪廓測量法、相位測量偏折術、CGH(計算全息圖)干涉檢測法、剪切干涉檢測法、相位恢復方法等幾種，相位恢復方法由于其檢測裝置簡單、受環境影響小的特點而備受關注。

相位恢復方法通過采集包含被測信息的多幅衍射強度圖像，采用基于GS(Gerchberg Saxton)或梯度搜索類的迭代優化算法得到被測信息，主要分為子口徑拼接強度探測法及軸向多光斑探測法。

子孔徑拼接強度探測法在光路中某個波面位置進行子孔徑采樣獲取多幅衍射強度圖像，由子孔徑拼接重建算法恢復波前信息。該方法能夠達到相當高的檢測精度，其缺點在于需要進行大量的子孔徑測量，以及進行海量的數據計算，檢測效率很低。

軸向多光斑探測法在受被測信息調制的會聚光束焦點附近采集多幅衍射光斑，由波前重建算法恢復被測信息。相比子孔徑拼接強度探測法，該方法檢測效率更高，但缺點在于：光斑采集的位置選擇對恢復結果的影響較大，當恢復波前對所選位置的衍射強度不敏感時，可能會導致迭代算法無法獲得最優解。因此該方法在測量不同波前時，如果使用相同的軸向采集位置，測量精度的穩定性無法保證。

發明內容

本發明的目的在于，針對基于軸向多光斑探測的相位恢復方法受探測位置的影響較大、無法穩定輸出高精度檢測結果的問題，提出了本發明的基于散斑場相位恢復的復雜光學曲面面形誤差檢測方法，對基于軸向多光斑探測的相位恢復方法作了改進，使其測量精度與光斑采集的位置無關，可以應用于復雜光學曲面面形誤差的高精度檢測。

本發明實施例提供的基于散斑場相位恢復的復雜光學曲面面形誤差檢測方法，包括以下步驟：

S1、基于軸向多光斑探測的復雜光學曲面面形誤差檢測光路，在CCD與分光鏡之間沿光軸方向依次設置準直透鏡、成像透鏡和隨機振幅掩膜板，構成以平面為基底的復雜光學曲面檢測系統；

S2、將被測元件與所述隨機振幅掩膜板由望遠成像系統形成物像共軛關系，使得所述隨機振幅掩膜板處的波前相位映射到所述被測元件的波前相位；所述望遠系統由所述準直透鏡和所述成像透鏡組成；

S3、經過所述隨機振幅掩膜板后的衍射光場強度被所述CCD在沿光軸方向上的多個位置采樣，獲得多幅散斑圖案；

S4、對所述散斑圖案采用預設的波前重構算法處理，獲得隨機振幅掩膜板處的波前；

S5、根據所述隨機振幅掩膜板處的波前以及所述物像共軛關系，獲得所述被測元件的波前相位，得到所述被測元件的波面誤差和面形誤差。

在一個實施例中，將所述步驟S1替換為如下步驟：