CN110470245A - 一种基于菲涅尔波带片衍射信息融合的相位恢复检测装置及相位恢复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于菲涅尔波带片衍射信息融合的相位恢复检测装置及相位恢复方法，装置包括沿光路方向依次设置的激光器、衰减镜、显微物镜、小孔滤波器、准直物镜、待测元件、菲涅尔波带片、图像采集装置。该装置使用菲涅尔波带片代替传统透镜作为光束会聚元件，利用菲涅尔波带片多焦点特性，使采集的衍射光斑中包含更多的衍射信息量。该方法使用由菲涅尔波带片调制的衍射光强分布进行恢复，能够实现对待测波前更宽频段的重建。该装置简单，无需改变离焦位置即可实现宽频段衍射信息的采集，并且方法具有更高的算法收敛速度和波前重建精度，在检测宽频段大波前误差时精度高。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测的技术领域，尤其涉及一种基于菲涅尔波带片衍射信息融合的相位恢复检测装置及相位恢复方法。
背景技术
各种高精度、高质量的光学元件被广泛应用于大型激光器、空间望远镜等现代大型光学系统中。在实际使用过程中，为适应系统高功率、高能量的使用需求，光学元件本身需要具备更好的面形质量。面形质量决定了光学系统的使用性能。现代光学加工方法在加工光学元件时，会导致元件表面残留不同频率的加工误差。根据其空间频率可大致划分为低频、中频和高频误差。低频误差主要以各种像差的形式呈现，中频误差会引入焦斑旁瓣，而高频误差会导致激光散射。元件本身的面形误差可以认为是互不相关的这三种误差的叠加而成，由此产生的面形误差严重影响了强激光光束会聚质量。
为了能够更好地约束并控制元件表面加工误差，对面形的检测至关重要。传统的波前检测方法如干涉检测法、坐标检测法、哈特曼波前传感器法等在实际使用中依然存在一些不足。干涉法检测精度高、测量重复性好，但是检测装置较为复杂，对检测环境有较高要求。而坐标检测法和哈特曼传感器法较难实现高精度的波前重建。近年来，相位恢复作为一种基于计算成像的波前检测手段，得到了广泛的研究。相位恢复通过衍射光强信息逆求解原始波前分布，且实验装置简单，抗环境干扰能力强。然而传统的相位恢复方法一般使用具有单焦点的普通透镜作为会聚元件，并在单一位置采集光强图用于波前计算重建。相关研究表明，相位恢复重建的波前集中分布的频段与离焦距离密切相关，不同空间频率的波前误差存在最佳的光强采集位置。因此使用这一传统方法由图像传感器得到的光强图所包含的信息量有限，最终能够恢复得到的波前频段只能较为集中在某一特定频段。故这一传统相位恢复方法无法实现宽频段的波前重建。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于菲涅尔波带片衍射信息融合的相位恢复检测装置及相位恢复方法，以缓解传统相位恢复方法在波前重建过程中存在恢复频段较窄的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于菲涅尔波带片衍射信息融合的相位恢复检测装置，其特征在于，该装置包括沿光路方向依次设置的激光器、衰减镜、显微物镜、小孔滤波器、准直透镜、待测元件、菲涅尔波带片、图像采集装置，所述激光器与所述衰减镜平行设置，所述显微物镜位于所述衰减镜之后，所述小孔位于所述显微物镜之后且位于所述显微物镜的会聚焦点处，所述准直透镜位于所述小孔滤波器之后，且所述准直透镜的前焦点位于所述小孔滤波器处，所述待测元件位于所述准直透镜之后，所述菲涅尔波带片位于所述待测元件之后，所述图像采集装置位于所述菲涅尔波带片之后且位于所述菲涅尔波带片的某一离焦位置处。
进一步地，所述菲涅尔波带片为相位型菲涅尔波带片。
进一步地，所述图像采集装置为CCD相机。
一种基于菲涅尔波带片衍射信息融合的相位恢复方法，其特征在于，该方法基于上述的检测装置来实现，该方法包括以下步骤：
所述激光器产生激光，所述的激光通过所述衰减镜衰减、所述显微物镜会聚、所述小孔滤波后，经由所述准直透镜准直为平行光入射到所述待测元件上，出射光波入射到所述菲涅尔波带片上会聚，所述图像采集装置在所述菲涅尔波带片的最佳离焦位置处采集带有复合频段衍射信息的光强图，并使用相位恢复方法进行计算，求解得到待测元件的出射相位，从而获得其面形误差。
进一步地，所述相位恢复方法采用迭代式相位恢复方法，具体步骤如下：
(1)使用菲涅尔波带片的相位分布作为待测波前相位的初始估计值；
(2)通过正向衍射理论将波前相位估计值衍射传播计算至待测光强面，并得到其光场光强图的复振幅分布；
(3)使用所述图像采集装置在衍射面测得的光场光强图的平方根作为真实振幅值替换步骤(2)计算得到的复振幅的实部，得到新的复振幅；
(4)使用逆向衍射理论将替换后的新的复振幅衍射传播计算至待测估计面，得到待测相位的估计值；
(5)对计算得到待测相位的估计值施加支持域的约束，作为波前相位新的估计值；
(6)将波前相位新的估计值更新所述的步骤(1)中的初始估计值。当达到预设的迭代次数时，结束迭代，从而得到待测元件的出射相位；否则，重复步骤(2)至(6)。
本发明的有益效果如下：
本发明的检测装置及相位恢复方法在经典迭代式相位恢复方法的基础上，使用菲涅尔波带片代替传统透镜作为光束会聚元件，利用菲涅尔波带片多焦点特性，使采集的衍射光斑中包含更多的衍射信息量。基于经典的迭代相位恢复方法，使用由菲涅尔波带片调制的衍射光斑进行恢复，能够实现对待测波前更宽频段的重建。同时该方法实验装置简单，无需改变离焦位置即可实现宽频段衍射信息的采集，并且具有更高的算法收敛速度和波前重建精度，在检测宽频段大波前误差时精度优于传统的基于透镜调制的迭代式相位恢复方法。
附图说明
图1是本发明的基于菲涅尔波带片衍射信息融合的相位恢复检测装置的结构示意图；
图2是本发明的相位恢复方法流程图；
图3是本发明使用的仿真待测波前分布图；
图4是基于波带片调制的相位恢复方法与传统透镜调制方法的恢复效果对比图；
图5是基于波带片调制的相位恢复方法与传统透镜调制方法恢复波前的功率谱密度曲线图；
图1中，激光器1、衰减镜2、显微物镜3、小孔滤波器4、准直透镜5，待测元件6、菲涅尔波带片7、图像采集装置8。
具体实施方式
下面根据附图详细说明本发明，并对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于菲涅尔波带片衍射信息融合的相位恢复检测装置，该装置包括依次设置的激光器1、衰减镜2、显微物镜3、小孔滤波器4、准直透镜5、待测元件6、菲涅尔波带片7、图像采集装置8，激光器1与衰减镜2平行设置，显微物镜3位于衰减镜2之后，小孔滤波器4位于显微物镜3之后且位于显微物镜3的会聚焦点处，准直透镜5位于小孔滤波器4之后，且准直透镜5的前焦点位于小孔处，待测元件6位于准直透镜5之后，菲涅尔波带片7位于待测元件6之后，图像采集装置8位于菲涅尔波带片7之后且位于菲涅尔波带片7的某一离焦位置处。
作为其中一种实施方案，菲涅尔波带片7采用相位型菲涅尔波带片，图像采集装置8采用CCD相机。
激光器1，用于产生波长为632.8nm的激光；
衰减镜2，用于衰减激光器1产生的过强的光束，以防CCD相机在进行光斑采集时出现过曝现象；
显微物镜3：对激光器1产生的光束进行会聚；
小孔滤波器4：对光束进行低通滤波；
准直透镜5，用于将发散光准直为平行光束，同时出射的平行光束入射待测元件6，出射的波前带有待测元件6的表面误差信息；
菲涅尔波带片7，用于对出射波前进行调制，并使光束会聚；
图像采集装置8，用于采集衍射光斑。
一种基于菲涅尔波带片衍射信息融合的相位恢复方法，如图2所示，该方法基于如上检测装置实现，该方法具体包括如下步骤：
激光器1产生激光，所述的激光通过衰减镜2衰减、显微物镜3会聚，并经小孔4滤波后，经由准直透镜5准直为平行光入射到所述的待测元件6上，出射光波入射到菲涅尔波带片7上会聚，使用图像采集装置8在菲涅尔波带片7的最佳离焦位置处采集带有复合频段衍射信息的光斑，并使用相位恢复方法进行计算，求解得到待测元件的面形误差。
所述的相位恢复方法为迭代式相位恢复方法，具体步骤如下：
(1)使用菲涅尔波带片的相位分布作为待测波前相位的初始估计值；
(2)通过正向衍射理论将波前相位估计值衍射传播计算至待测光强面，并得到其光场光强图的复振幅分布；
(3)使用所述图像采集装置8在衍射面测得的光场光强图的平方根作为真实振幅值替换步骤(2)计算得到的复振幅的实部，得到新的复振幅；
(4)使用逆向衍射理论将替换后的新的复振幅衍射传播计算至待测估计面，得到待测相位的估计值；
(5)对计算得到待测相位的估计值施加支持域的约束，作为波前相位新的估计值；
(6)将波前相位新的估计值更新所述的步骤(1)中的初始估计值。当达到预设的迭代次数时，结束迭代，从而得到待测元件的出射相位；否则，重复步骤(2)至(6)。
图3至图5是本发明应用于实际案例的说明图，其中：
图3是本发明使用的仿真待测波前分布图。该待测波前使用由泽尼克多项式拟合的低频误差分量和圆光栅结构的中频误差分量组合而成，其PV值为0.25波长左右。
图4是基于波带片调制的相位恢复方法与传统透镜调制方法的恢复效果对比图，受限于相位恢复算法，两种调制方法均在迭代一定的次数后陷入了停滞状态。然而可以明显看到，使用菲涅尔波带片调制的相位恢复技术，在约400次迭代后开始停滞，而透镜调制下需要约600次的迭代，且最终停滞时，菲涅尔波带片具有更小的迭代误差，也即更高的收敛精度。
图5是基于波带片调制的相位恢复方法与传统透镜调制方法恢复波前的功率谱密度曲线图。功率谱密度(PSD)常用来评价光学零件加工制造误差的空间频率分布。由图可知，在低频段上，两者恢复效果相当，而在高频段上，基于透镜调制的相位恢复方法已经无法恢复原始波前，但是基于菲涅尔波带片调制的相位恢复方法依然能够较好的恢复原始波前，且PSD曲线与原始PSD曲线符合的较好。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于菲涅尔波带片衍射信息融合的相位恢复检测装置，其特征在于，该装置包括沿光路方向依次设置的激光器(1)、衰减镜(2)、显微物镜(3)、小孔滤波器(4)、准直透镜(5)、待测元件(6)、菲涅尔波带片(7)、图像采集装置(8)，所述激光器(1)与所述衰减镜(2)平行设置，所述显微物镜(3)位于所述衰减镜(2)之后，所述小孔(4)位于所述显微物镜(3)之后且位于所述显微物镜(3)的会聚焦点处，所述准直透镜(5)位于所述小孔滤波器(4)之后，且所述准直透镜(5)的前焦点位于所述小孔滤波器(4)处，所述待测元件(6)位于所述准直透镜(5)之后，所述菲涅尔波带片(7)位于所述待测元件(6)之后，所述图像采集装置(8)位于所述菲涅尔波带片(7)之后且位于所述菲涅尔波带片(7)的某一离焦位置处。
2.根据权利要求1所述的基于菲涅尔波带片衍射信息融合的相位恢复检测装置，其特征在于，所述菲涅尔波带片(7)为相位型波带片。
3.根据权利要求1所述的基于菲涅尔波带片衍射信息融合的相位恢复检测装置，其特征在于，所述图像采集装置(8)为CCD相机。
4.一种基于菲涅尔波带片衍射信息融合的相位恢复方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的检测装置来实现。该方法包括以下步骤：
所述激光器(1)产生激光，所述的激光通过所述衰减镜(2)衰减、所述显微物镜(3)会聚、所述小孔(4)滤波后，经由所述准直透镜(5)准直为平行光入射到所述待测元件(6)上，出射光波入射到所述菲涅尔波带片(7)上会聚，所述图像采集装置(8)在所述菲涅尔波带片(7)的最佳离焦位置处采集带有复合频段衍射信息的光强图，并使用相位恢复方法进行计算，求解得到待测元件的出射相位，从而获得其面形误差分布。
5.根据权利要求3所述的基于菲涅尔波带片信息融合的相位恢复方法，其特征在于，所述的相位恢复方法采用迭代式相位恢复方法，具体步骤如下：
(1)使用菲涅尔波带片的相位分布作为待测波前相位的初始估计值；
(2)通过正向衍射理论将波前相位估计值衍射传播计算至待测光强面，并得到其光场光强图的复振幅分布；
(3)使用所述图像采集装置(8)在衍射面测得的光场光强图的平方根作为真实振幅值替换步骤(2)计算得到的复振幅的实部，得到新的复振幅；
(4)使用逆向衍射理论将替换后的新的复振幅衍射传播计算至待测估计面，得到待测相位的估计值；
(5)对计算得到待测相位的估计值施加支持域的约束，作为波前相位新的估计值；
(6)将波前相位新的估计值更新所述的步骤(1)中的初始估计值。当达到预设的迭代次数时，结束迭代，从而得到待测元件的出射相位；否则，重复步骤(2)至(6)。
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