光场波前测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及光学元件测量和激光光束测量，特别是一种光场波前测量装置和测量方法。

背景技术

光束相位往往能够比振幅反映出更多的细节信息，因此相位测量在光学检测中具有重要意义，传统的光学相位测量仪器主要有Zygo干涉仪和哈特曼传感器。Zygo干涉仪仪器化程度高，在低频区域测量精度高，能够对大口径光学元件进行精密测量，但其造价高、体积大、对环境要求苛刻、不能在线测量、不能测量待测光束，而且在测量大梯度变化相位时精度有限。哈特曼传感器体积小、测量速度快、抗干扰能量强、可以在线测量光束和元件的相位分布，但是其测量精度受限于微透镜阵列的个数和单个测量单元的尺寸，空间分辨率较低，在测量大梯度变化的相位时会出现信号串扰，影响测量精度。针对传统测量仪器的局限性，研究人员在计算光学领域开发出多种测量方法，比如相干衍射成像(CDI)技术，叠层成像(PIE)技术等，实现了大口径、大梯度相位变化光学元件和待测激光束的高精度测量，但是这类技术都需要移动探测光或者待测物体来记录多幅衍射光斑，数据采集时间长，不适用于单发次激光系统中的在线测量。

发明内容

本发明的目的在于针对现有波前测量仪器的不足，提出一种结构紧凑、用途广泛、只需要一次记录就可以重建待测元件或待测光束复振幅分布的波前测量装置和测量方法，可以应用于单发次激光装置的在线测量。

本发明的技术解决方案如下：

一种光场波前测量装置，其特点在于，包括：

第一分束器，用于将光源提供的光束分成射向光束截止器的第一光束和射向待测元件的第二光束，并将经所述待测元件透射后经反射镜反射、待测元件透射后的第二光束反射至第二分束器；或者，用于将待测光束反射后作为第二光束反射至第二分束器；

第二分束器，用于将经所述第一分束器反射后的第二光束分成射向第一成像系统的取样光束和射向编码板，并经该编码板衍射后射向第二成像系统的第三光束；

编码板，用于对所述第三光束进行编码和解调；

第一成像系统，用于采集所述取样光束的光斑；

第二成像系统，与所述第一成像系统共轭，用于记录所述第三光束的衍射光斑；

电脑，分别与所述第一成像系统和第二成像系统相连，用于从所述第一成像系统中获取取样光束焦点的平面坐标，并利用所述第二成像系统采集的所述第三光束的衍射光斑，重建待测元件或者待测光束的复振幅分布。

进一步，还包括设置于所述第一分束器和待测元件之间的准直透镜，用于将光源调整为平行的探测光，并对所述探测光或待测光束聚焦。

进一步，还包括设置于所述第二分束器和第一成像系统之间的衰减器，用于对所述取样光束进行衰减，使所述第一成像系统采集到的光斑不饱和。

所述的光源为相干光源。

所述的反射镜为高精度平面反射镜，在测量光学元件时将探测光反射回所述的准直透镜。

所述的待测元件为透射式光学元件或反射式光学元件。

所述的分束器透反比为50:50，并且不会对透射光或者反射光的波前进行调制。

所述的编码板可以是振幅型编码板，通光部分为1，不通光部分为0，且分布已知；也可以是相位型编码板，一般取值为0和π，且分布已知。

所述的分光镜透反比在95:5～55:45之间，对探测光进行取样，将取样光导入所述的第一成像系统中。

所述的光束截止器用来拦截所述光源经所述分束器后反射的光。

利用上述光场波前测量装置对光学元件和待测光束进行测量的方法，其特点在于该测量方法包括下列步骤：

在所述准直透镜的出射光路上放置反射镜，利用所述光源照明，所述第一成像系统和所述第二成像系统各记录一幅衍射光斑；

S1.获取所述第一成像系统记录的光斑，并计算取样光束的重心坐标(x,y)，确定焦点位置；

S2.获取所述第二成像系统记录的衍射光斑，标定空腔内照明光在各个面上的光场分布，第n次迭代过程如下：

a)设焦点处有一个可变光阑，光阑半径随着迭代次数的增加而变大，初始分布为C

b)设焦点处照明光的复振幅分布

c)所述编码板的复振幅分布B，所述的编码板距离所述第二成像系统的距离L2，则照明光在所述第二成像系统面猜测的复振幅分布

d)利用所述第二成像系统记录到的衍射光斑强度分布I修正猜测的复振幅分布χ

e)将修正后复振幅分布χ

f)改变光阑半径R的值，利用复振幅分布B和实际记录到的衍射光斑强度分布I进行下一次更新，直到得到理想重建精度的光场分布

g)设某个元件的复振幅分布X，到所述焦点的距离M，则照明光在此元件平面的光场分布为

测量光学元件时：

S3.获取所述第二成像系统记录的衍射光斑，重建待测元件的复振幅分布，第n次迭代过程如下：

a)设焦点处有一个可变光阑，光阑半径随着迭代次数的增加而变大，初始分布为C

b)设焦点处探测光的复振幅分布

c)所述编码板的复振幅分布B，所述的编码板距离所述第二成像系统的距离L2，则探测光在所述第二成像系统面猜测的复振幅分布

d)利用所述第二成像系统记录到的衍射光斑强度分布I修正猜测的复振幅分布χ

e)将修正后复振幅分布χ

f)改变光阑半径R的值，利用复振幅分布B和实际记录到的衍射光斑强度分布I进行下一次更新，直到得到理想重建精度的光场分布

g)设所述准直透镜的复振幅分布A，到所述焦点的距离L0，则探测光在所述准直透镜面的光场分布为

h)设所述待测元件到所述准直透镜的距离L，则探测光在所述待测元件面的光场分布为

i)由S2得到空腔时所述待测元件面的光场分布为

测量待测光束时：

S3.获取所述第二成像系统记录的衍射光斑，重建待测光束的复振幅分布，第n次迭代过程如下：

a)设焦点处有一个可变光阑，光阑半径随着迭代次数的增加而变大，初始分布为C

b)设焦点处待测光的复振幅分布

c)所述编码板的复振幅分布B，所述的编码板距离所述第二成像系统的距离L2，则待测光在所述第二成像系统面猜测的复振幅分布

d)利用所述第二成像系统记录到的衍射光斑强度分布I修正猜测的复振幅分布χ

e)将修正后复振幅分布χ

f)改变光阑半径R的值，利用复振幅分布B和实际记录到的衍射光斑强度分布I进行下一次更新，直到得到理想重建精度的光场分布

g)设所述准直透镜的复振幅分布A，到所述焦点的距离L0，则待测光在所述准直透镜(2)面的光场分布为

h)由S2得到空腔时所述准直透镜面的光场分布为

本发明的技术效果如下：

本发明光场波前测量装置，利用两台相机各记录一幅衍射光斑，实现光学元件和待测光束的复振幅分布的测量。

本发明采用迭代计算的方法重建光学元件的面型分布或者相位分布，可以应用于光学元件的面型检测、应力检测、缺陷检测、损伤检测等。本发明还可以重建待测光束在各个面上的复振幅分布，从而研究光束的传输特性，应用于光束的波前检测和焦斑检测，以及M

附图说明

图1是本发明光场波前测量装置的结构示意图

图中：1-光源、2-准直透镜、3-反射镜、4-待测元件、5-分束器、6-编码板、7-第二成像系统、8-分光镜、9-衰减器、10-第一成像系统、11-电脑、12-光束截止器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。

参见图1，由图可见，本发明光场波前测量装置，包括光源1、准直透镜2、反射镜3、待测元件4、分束器5、编码板6、第二成像系统7、分光镜8、衰减器9、第一成像系统10、电脑11、光束截止器12。

测量光学元件时，所述的光源1经过所述的分束器5后，被所述的准直透镜2调整为一束平行的探测光，探测光经过所述的待测元件4后到达所述的反射镜3，其中，所述的准直透镜2、所述的反射镜3和所述的待测元件4平行放置，探测光反射后再次经过所述的待测元件4和所述的准直透镜2原路返回到所述的分束器5处，经过所述的分束器5反射，探测光到达所述的分光镜8处，透射部分经过所述的编码板6进入所述的第二成像系统7，反射部分经过所述的衰减器9进入所述的第一成像系统10，所述的第二成像系统7和所述的第一成像系统10与所述的电脑11相连，所述的光源经过所述的分束器时，反射光被所述的光束截止器12拦截。

测量待测光束时，关闭所述的光源1，拿掉所述的反射镜3和所述的待测元件4，让待测光束直接由所述的准直透镜2进入光场波前测量装置，经所述的分束器5反射，待测光束到达所述的分光镜8处，透射部分经过所述的编码板6进入所述的第二成像系统7，反射部分经过所述的衰减器9进入所述的第一成像系统10。

实施例中：

所述的光源1为氦氖激光器。

所述的准直透镜2为消色差透镜，直径为100mm，焦距为400mm，用来将所述的光源1调整为平行光，并在测量光学元件时将探测光聚焦，在测量待测光束时将待测光聚焦。

所述的反射镜3为高精度平面反射镜，直径150mm，镜面平整度二十分之一波长，在测量光学元件时将探测光反射回所述的准直透镜2。

所述的待测元件4为连续相位板，如果是反射式光学元件，比如反射镜，此时不需要所述的反射镜3。

所述的分束器5透反比为50:50，并且不会对透射光或者反射光的波前进行调制。

所述的编码板6是相位型编码板，取值为0和π，编码板的分布提前已知，放置在焦点后方。

所述的第二成像系统7为CCD，像素尺寸为9微米，分辨率为4008×2672，用来记录所述编码板6后面的衍射光斑。

所述的分光镜8透反比为4:1，对探测光进行取样，将取样光导入所述的第一成像系统10中。

所述的衰减器9衰减系数可以连续调整，配合所述的第一成像系统10，使所述的第一成像系统10采集到的光斑不饱和。

所述的第一成像系统10为CCD，像素尺寸为9微米，分辨率为4008×2672，与所述的第二成像系统7共轭，用来记录取样光束的光斑，确定探测光束焦点的位置坐标。

所述的电脑11具有数据采集和数据处理功能，结合相应的算法，可以从所述的第一成像系统10中获取探测光束焦点的平面坐标，并将这个坐标带入重建算法，利用所述的第二成像系统7采集到的衍射光斑，重建待测元件或者待测光束的复振幅分布。

所述的光束截止器12用来拦截所述的光源1经所述的分束器5后反射的光。

利用上述光场波前测量装置对光学元件和待测光束进行测量的方法，其特点在于该测量方法包括下列步骤：

在所述准直透镜2的出射光路上放置反射镜3，利用所述光源1照明，所述第一成像系统和所述第二成像系统各记录一幅衍射光斑；

S1.获取所述第一成像系统记录的光斑，并计算取样光束的重心坐标(x,y)，确定焦点位置；

S2.获取所述第二成像系统记录的衍射光斑，标定空腔内照明光在各个面上的光场分布，第n次迭代过程如下：

a)设焦点处有一个可变光阑，光阑半径随着迭代次数的增加而变大，初始分布为C

b)设焦点处照明光的复振幅分布

c)所述编码板6的复振幅分布B，所述的编码板6距离所述第二成像系统的距离L2，则照明光在所述第二成像系统面猜测的复振幅分布

d)利用所述第二成像系统记录到的衍射光斑强度分布I修正猜测的复振幅分布χ

e)将修正后复振幅分布χ

f)改变光阑半径R的值，利用复振幅分布B和实际记录到的衍射光斑强度分布I进行下一次更新，直到得到理想重建精度的光场分布

g)设某个元件的复振幅分布X，到所述焦点的距离M，则照明光在此元件平面的光场分布为

测量光学元件时：

S3.获取所述第二成像系统记录的衍射光斑，重建待测元件的复振幅分布，第n次迭代过程如下：

a)设焦点处有一个可变光阑，光阑半径随着迭代次数的增加而变大，初始分布为C

b)设焦点处探测光的复振幅分布

c)所述编码板6的复振幅分布B，所述的编码板6距离所述第二成像系统的距离L2，则探测光在所述第二成像系统面猜测的复振幅分布

d)利用所述第二成像系统记录到的衍射光斑强度分布I修正猜测的复振幅分布χ

e)将修正后复振幅分布χ

f)改变光阑半径R的值，利用复振幅分布B和实际记录到的衍射光斑强度分布I进行下一次更新，直到得到理想重建精度的光场分布

g)设所述准直透镜的复振幅分布A，到所述焦点的距离L0，则探测光在所述准直透镜2面的光场分布为

h)设所述待测元件到所述准直透镜的距离L，则探测光在所述待测元件4面的光场分布为

i)由S2得到空腔时所述待测元件4面的光场分布为

测量待测光束时：

S3.获取所述第二成像系统记录的衍射光斑，重建待测光束的复振幅分布，第n次迭代过程如下：

a)设焦点处有一个可变光阑，光阑半径随着迭代次数的增加而变大，初始分布为C

b)设焦点处待测光的复振幅分布

c)所述编码板6的复振幅分布B，所述的编码板6距离所述第二成像系统的距离L2，则待测光在所述第二成像系统面猜测的复振幅分布

d)利用所述第二成像系统记录到的衍射光斑强度分布I修正猜测的复振幅分布χ

e)将修正后复振幅分布χ

f)改变光阑半径R的值，利用复振幅分布B和实际记录到的衍射光斑强度分布I进行下一次更新，直到得到理想重建精度的光场分布

g)设所述准直透镜的复振幅分布A，到所述焦点的距离L0，则待测光在所述准直透镜(2)面的光场分布为

h)由S2得到空腔时所述准直透镜2面的光场分布为

实验表明，本发明光场波前测量装置通过两台相机各记录一幅衍射光斑可以精确重建待测元件或待测光束的复振幅分布，具有结构简单、用途广泛的特点。