[發明專利]基于模式復原的快速大動態范圍波前檢測裝置及檢測方法

有效

• 申請號: 202011386690.0
• 申請日: 2020-12-01
• 公開（公告）號: CN112629677B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 白劍;趙磊;費蕾;侯晶
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01J9/00
• 分類號: G01J9/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 賈玉霞

本發明公開一種基于模式復原的快速大動態范圍波前檢測裝置及檢測方法，該方法通過將衍射計算過程使用半解析衍射基函數替代，然后在衍射面之間利用矩陣運算迭代求解多項式系數，實現了高速大動態范圍的波前檢測。該裝置包括依次設置的激光器、平凸透鏡、擴束鏡、待測透鏡、圖像傳感器。本發明基于半解析衍射理論計算衍射基函數代替傅里葉變換計算衍射傳輸過程，通過矩陣運算實現在衍射面的多項式系數求解，無需返回測量面，能夠實現快速大動態范圍的精確波前檢測。該裝置通過使用平凸透鏡代替反射鏡實現光路轉折，不僅實現了光路轉折而且實現了光強的衰減，此外由于后表面為彎曲狀，因此后表面反射光不再返回原光路免除了干擾。

技術領域

本發明涉及光學測量技術領域，尤其涉及一種基于模式復原的快速大動態范圍波前檢測裝置及檢測方法。

背景技術

隨著現代科技的進步，基于計算機控制的小口徑研磨車削加工工具使大口徑自由曲面元件的加工成為了可能。大口徑自由曲面元件被廣泛應用于慣性約束核聚變等大功率激光系統中。由于大口徑光學透鏡本身的表面缺陷及小尺寸加工工具研磨過程中留下的加工誤差導致大口徑光學透鏡出射的波前不再是理想波前。在強激光系統中，光學元件的面形誤差會造成會聚焦斑的畸變造成能量損失并損害激光系統。因此對大口徑光學透鏡中低頻誤差進行檢測控制成為提高強激光會聚激光性能的關鍵。自由曲面元件的檢測由于其面形復雜、空間頻率高，檢測難度大，制約了慣性約束核聚變中激光光學元件應用水平的提高。傳統的波前檢測技術依賴于光學干涉方法，對于大相對孔徑、高陡度、高空間頻率的光學元件，往往無法形成可靠的干涉條紋。干涉檢測一般只能獲得被測波前的低頻誤差，利用子孔徑拼接方法雖然可以獲得中頻誤差，但結構復雜，測量時間長，無法滿足實際應用需求。

相位恢復波前檢測是近年來方興未艾的一種新型的非干涉式波前探測方法，基于計算光學成像原理，直接通過焦斑能量分布計算反演出波前信息，結構簡單，無需形成干涉條紋，適用于大相對孔徑、高陡度的波前檢測。同時，利用光學元件空間結構的衍射效應，可以獲得寬空間頻段的波前相位信息，從而滿足自由曲面波前誤差的檢測要求。利用相位恢復技術實現對自由曲面元件波前誤差的檢測，有助于有效解決復雜光學元件的檢測問題，有助于進一步提高慣性約束核聚變系統光學元件性能。但是傳統迭代式相位恢復方法適用于小相對口徑且波差小于一個波長的檢測，而且傳統方法需要在測量面與衍射面之間反復迭代獲取待測波前需要消耗大量的時間。而且對由于傅里葉變換過程中需要滿足采樣條件，因此對測量面和衍射面的采樣率有很高要求，參與迭代運算的矩陣巨大，消耗了大量的計算資源并嚴重拖沓了計算速度。

發明內容

針對現有的迭代相位恢復方法在測量大口徑光學透鏡大波前誤差時采樣量大、計算時間長、裝置搭建復雜等問題，本發明提供一種基于模式復原的快速大動態范圍波前檢測方法及裝置，具體技術方案如下：

一種基于模式復原的快速大動態范圍波前檢測裝置，該裝置包括激光發射器、平凸透鏡、擴束器、待測透鏡和圖像傳感器，沿前向光路的方向，所述平凸透鏡傾斜度位于所述激光發射器之后，且平面朝向所述激光發射器，所述擴束器、平待測透鏡依次設置在所述平凸透鏡之后，且所述平凸透鏡、擴束器、待測透鏡、圖像傳感器共光軸；所述圖像傳感器固定在精密導軌上，且所述圖像傳感器位于所述待測透鏡的離焦位置處。

一種基于模式復原的快速大動態范圍波前檢測方法，該方法基于上述的波前檢測裝置來實現，該方法包括如下步驟：

S1：移動所述圖像傳感器，在不同的離焦距離采集含有所述的待測透鏡波前誤差的離焦光強圖，并將離焦光強圖轉換為一維列向量I_k,k＝1,2,···,n；

S2：對S1采集到的離焦光強圖進行相位恢復，獲得待測透鏡的波前誤差信息，具體包括如下子步驟：

S2.1：設置待測透鏡的焦距s、口徑D、每一幅離焦光強圖的離焦量f_k、離焦面復振幅波前的初始估計系數β、初始步長step、迭代總數N_iter、初始迭代次數i＝1；