基于层叠相干衍射成像的大口径光学元件面形检测方法

技术领域

本发明涉及光学检测及数字图像处理技术领域，更具体的是涉及基于层叠相干衍射成像的大口径光学元件面形检测方法的技术领域，用于大口径光学元件面形检测。

背景技术

光场在自由空间传播过程中，因为光的衍射效应，光场的复振幅会发生变化。根据菲涅尔衍射原理，若已知某一位置光场复振幅分布，在傍轴条件下，可计算光场传播一段距离后的复振幅分布。若只知道光场强度分布，理论上需要知道沿光轴方向两个位置的光场强度分布，采用基于光场衍射传播的迭代算法，可求出光场的相位分布，这即是相干衍射成像的基本原理。

层叠相干衍射成像在生物成像领域有广泛应用，通过对生物样品进行子孔径扫描测量，对各子孔径图像进行迭代运算可恢复出生物样品的振幅与相位分布。由于各子孔径之间有重叠区域，信息冗余可使结果迭代收敛趋近于样品真实的光场分布。在生物成像领域，常规的层叠相干衍射成像子孔径视场一般只有毫米量级，难以实现数百毫米尺寸物体的测量。

采用干涉仪测量光学元件面形，是现阶段较为成熟的一种测量手段。针对大口径光学元件，一般需匹配相应口径的干涉仪，以实现全口径测量；若采用小口径干涉仪测量大口径元件，则需进行子孔径拼接测量，拼接过程会引入额外的测量误差。大口径干涉仪价格昂贵，对环境振动、温度等要求高。为减小标准镜重力引起的应力形变，300mm及以上口径干涉仪均采用卧式光路，待测元件采用立式放置。大口径干涉仪难以测量俯仰角度放置下的光学元件面形。

发明内容

本发明的目的在于：为了实现大口径光学元件俯仰角度下的面形测量，解决现有层叠相干衍射成像技术中测量视场小的技术问题，本发明提供一种基于层叠相干衍射成像的大口径光学元件面形检测方法。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种基于层叠相干衍射成像的大口径光学元件面形检测方法，待测元件位于经扩束准直后平行光处，平行光口径受限于准直透镜口径。综合考虑到测量效率、透镜加工难度及成本因素，一般准直透镜口径可采用100mm~200mm。包括如下步骤：

步骤1、将待测元件移至初始子孔径扫描位置并对准，用相机采集汇聚光焦点附近的衍射光斑图像；

步骤2、将待测元件平移至下一子孔径扫描位置并采集对应子孔径扫描位置的衍射光斑图像，相邻子孔径具有重叠区域；待测元件可采用二维导轨或者机械手等移动装置来实现平移扫描；

步骤3、重复步骤2，直至所有子孔径扫描位置采集到的衍射光斑图像覆盖待测光学元件的待测区域；

步骤4、对待测光学元件采集到的系列衍射光斑图像进行处理，采用层叠相干衍射成像迭代算法，恢复待测元件面形分布。

进一步地，步骤4中，恢复待测元件面形分布的具体步骤为：

步骤a、设定探测光场复振幅初始分布

步骤b、设定经待测元件反射后的波前为

式中，

步骤c、相机靶面处的光场复振幅

步骤d、根据相机采集到的实际光强分布

步骤e、对步骤d中的

步骤f、对

待测元件面形分布更新的公式如下：

探测光场复振幅分布更新的公式如下：

计算恢复误差公式：

式中，

步骤h、将探测光移到

本发明的有益效果如下：

通过在大孔径光束位置对光学元件进行扫描测量，可扩展测量范围。单个扫描子孔径可达数百毫米，适用于大口径光学元件波前测量，理论上可以测量米级尺寸的光学元件。具有测量光路简单、视场大、精度高的优点。

附图说明

图1为本发明的测量光路示意图；

图2为本发明测量过程中子孔径扫描示意图；

图3为本发明中仿真的待测元件面形分布；

图4为本发明中相机接收的衍射光强分布；

图5为本发明中恢复的探测光强度分布与相位分布；

图6为本发明中恢复的待测元件面形分布。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例1

如图1和图2所示，一种基于层叠相干衍射成像的大口径光学元件面形检测方法，待测元件位于经扩束准直后平行光处，平行光口径受限于准直透镜口径。综合考虑到测量效率、透镜加工难度及成本因素，一般准直透镜口径可采用100mm~200mm。包括如下步骤：

步骤1、将待测元件移至初始子孔径扫描位置并对准，用相机采集初始子孔径扫描位置的衍射光斑图像；

步骤2、将待测元件平移至下一子孔径扫描位置并采集对应子孔径扫描位置的衍射光斑图像，相邻子孔径具有重叠区域,待测元件可采用二维导轨或者机械手等移动装置来实现平移扫描；

步骤3、重复第步骤2，直至所有子孔径扫描位置采集到的衍射光斑图像覆盖待测光学元件的待测区域；

步骤4、对待测光学元件采集到的系列衍射光斑图像进行处理，采用层叠相干衍射成像迭代算法，恢复待测元件面形分布。

步骤4中，恢复待测元件面形分布的具体步骤为：

步骤a、设定探测光场复振幅初始分布

步骤b、设定经待测元件反射后的波前为

式中，

步骤c、相机靶面处的光场复振幅

步骤d、根据相机采集到的实际光强分布

步骤e、对步骤d中的

步骤f、对

待测元件面形分布更新的公式如下：

探测光场复振幅分布更新的公式如下：

计算恢复误差公式：

式中，

步骤h、将探测光移到

实施例2

本实施例提供一种基于最小二乘拟合迭代自动提取十字图形中心的方法，步骤如下：

步骤1、将待测元件移至初始扫描位置并进行对准；本实施例仿真的待测元件面形分布如图3所示，元件尺寸为400mm×400mm，元件面形PV为0.5λ（λ=632.8nm），测量光束口径为100mm。

步骤2、用相机采集衍射光斑；本实施例仿真的相机像素分辨率为1000×1000，像素大小为5μm。

步骤3、将待测元件平移至下一扫描位置并采集衍射光斑，相邻扫描位置子孔径需有一定的重叠区域；重叠区域面积占子孔径面积之比为60%。

步骤4、重复步骤2和步骤3，直至扫描子孔径光斑覆盖光学元件待测区域；采集到的相邻4幅衍射光斑图如图4所示。

步骤5、对采集到的系列衍射图像进行处理，采用层叠相干衍射成像迭代算法，恢复出待测元件面形分布。恢复的探测光强度分布与相位分布如图5所示，恢复的待测元件面形分布如图6所示。