CN112097923A - 一种简易的光学件波前测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种简易的光学件波前测量方法，需提供沿光路方向分布的准直光源、被测光学元件和光斑测试仪，所述方法包括：从所述准直光源出射两准直光束，分别为准直光束11和准直光束12；在无被测光学元件的情况下，两准直光束直接从准直光源入射到光斑测试仪上时，读取两准直光束对应的第一光斑位置信息；在有被测光学元件的情况下，读取两准直光束经被测光学元件折射后的第二光斑位置信息；利用两次读取到的光斑位置信息计算两准直光束在被测光学元件的第二个表面的入射角；根据入射角计算被测光学元件的第二个表面的曲率半径r，从而计算波前W。本发明测量方法，可快速计算测量结果，且所采用的光路结构简单，设备成本低。

Description

一种简易的光学件波前测量方法

技术领域

本发明涉及波前测量，尤其涉及一种简易的光学件波前测量方法。

背景技术

在自适应光学、光学检测、光电探测等应用领域，均需要测量光束的波前。目前主要有两大类的波前测量方法，第一类为测量出波前斜率，然后通过特定的波前重构算法恢复出波前分布，其中包括哈特曼波前测量技术和剪切干涉波前测量技术等。第二类为测量光学系统内不同平面上的光强分布，然后通过特定的算法恢复出波前分布，其中包括曲率波前测量技术和相位恢复法测量技术。

剪切干涉测量系统一般需要硬件和软件两部分。硬件部分包括：剪切干涉仪，CCD，成像系统，图像采集系统等，软件部分包括：干涉图采集软件和干涉图处理软件。经过软件处理，可以得到波前，图1是剪切干涉光学原理图，其光路走向为：光束从光源1’出射出，依次经过被测元件2’、透镜阵列3’和光电探测器阵列4’。干涉测量方法被公认为至今为止以波长为基准的最精密的测试手段之一，但是剪切干涉测量技术(如Zygo干涉仪)一般光能利用率低，结构复杂，要求计算机重构算法处理速度快，使其应用受到一定的限制，其不适用于2mm*2mm以下的光学件，并且设备价格昂贵。

哈特曼波前测量系统主要采用波前分割采样阵列元件(如微透镜阵列)将入射波前分割成许多子孔径，并分别汇聚到焦平面成像，光电探测器阵列(一般采用CCD探测器或者CMOS探测器)放置于波前分割采样阵列元件的焦平面，采集一系列光斑阵列图像，最终通过各子光斑质心、位置的计算处理获得所需的波前相位测量数据，图2是常见的哈特曼波前测量技术的原理图，其光路走向为：光束从平行光源系统10’射出，依次经过被测元件20’、透镜系统30’、反射分光镜40’和图像传感系统50’。哈特曼波前测量技术光能利用率较高，但是受其微阵列透镜个数的局限，所以只能获得比较低的波前分辨率，远场信息的复原精度也很难达到实际要求。

曲率波前传感技术由F.Roddier于1987年提出，它通过测量离焦面上的光强分布求得波前的曲率和相位分布。以波前曲率测量代替了传统方法中的波前斜率测量，由于波前曲率分布与相位分布的联系可用泊松方程表示，图3是常见的曲率波前传感技术的原理图，其光路走向为：光束从平行光源系统100’射出，依次经过被测元件200’、分光镜300’、反射镜400’和两个电荷耦合器件500’。曲率传感器测得的曲率分布信号不需经过计算机重构算法计算就可以获得波前数据，从而节省了计算时间，但是现有的曲率波前测量方式均需要比哈特曼传感测量技术和剪切干涉仪更复杂的硬件构成，并且适用的波长受限。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种简易的光学件波前测量方法，利用光斑偏移角计算曲率，从而得到波前，测量方法简单，计算时间短，且采用透过法，光能利用率高，测试光路结构简单，设备成本低。

本发明是这样实现的：一种简易的光学件波前测量方法，需提供沿光路方向分布的准直光源、被测光学元件和光斑测试仪，所述方法包括如下步骤：

步骤1、从所述准直光源出射两准直光束，分别为准直光束11和准直光束12；

步骤2、在无被测光学元件的情况下，两准直光束直接从准直光源入射到光斑测试仪上时，读取两准直光束对应的第一光斑位置信息；

步骤3、在有被测光学元件的情况下，两准直光束垂直入射到所述被测光学元件的第一个表面，在被测光学元件的第二个表面发生折射后，再入射到光斑测试仪上，读取两准直光束对应的第二光斑位置信息；

步骤4、利用两次读取到的光斑位置信息计算两准直光束在被测光学元件的第二个表面的入射角，将所述准直光束11对应的入射角记为β₁，所述准直光束12对应的入射角记为β₂；

步骤5、根据β₁和β₂计算被测光学元件的第二个表面的曲率半径r，所述曲率半径r的计算公式为：

其中，d为准直光束11和准直光束12的距离；

步骤6、根据所述曲率半径r计算波前W，所述波前W的计算公式为：

其中D为被测光学件的通光孔径；

所述步骤2和步骤3不分先后顺序执行。

进一步的，所述步骤4中的入射角β₁和入射角β₂的计算方式具体为：

将准直光束11的第一光斑位置信息记为(x10，y10)，准直光束12的第一光斑位置信息记为(x20，y20)，准直光束11的第二光斑位置信息记为(x11，y11)，将准直光束11的第二光斑位置信息记为(x21，y21)；

将测光学件的折射率记为n；

计算准直光束11在被测光学元件的第二个表面的出射光束和入射光束之间的夹角α₁，所述α₁的计算公式为：

计算准直光束12在被测光学元件的第二个表面的出射光束和入射光束之间的夹角α₂，所述α₂的计算公式为：

所述准直光束11的入射角

所述准直光束12的入射角

本发明的优点在于：

1、简化了光学元件的波前测量装置，结构简单易于实现，光路结构简单，设备成本低；

2、采用透过法，光能利用率高；

3、利用光斑的偏移角去计算被测光学元件的曲率，进而计算波前，无需经过计算机重构算法就可以获得波前数据，计算时间短，可满足较小光学元器件的快速测量。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为现有的剪切干涉光学原理图。

图2为现有的哈特曼波前测量技术的原理图。

图3为现有的曲率波前传感技术的原理图。

图4为本发明方法执行流程图。

图5为本发明波前测量方法采用的装置结构示意图。

图6为本发明测量时光束经过被测光学元件时的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作出进一步地详细说明，但本发明的结构并不仅限于以下实施例。

请参考图4至图6，本发明的一种简易的光学件波前测量方法，需提供沿光路方向分布的准直光源10、被测光学元件20和光斑测试仪30，所述方法包括如下步骤：

步骤1、从所述准直光源10出射两准直光束，分别为准直光束11和准直光束12；

步骤2、在无被测光学元件20的情况下，两准直光束直接从准直光源10入射到光斑测试仪30上时，读取两准直光束对应的第一光斑位置信息；

步骤3、在有被测光学元件20的情况下，两准直光束垂直入射到所述被测光学元件20的第一个表面，在被测光学元件20的第二个表面发生折射后，再入射到光斑测试仪30上，读取两准直光束对应的第二光斑位置信息；

步骤4、利用两次读取到的光斑位置信息计算两准直光束在被测光学元件20的第二个表面的入射角，将所述准直光束11对应的入射角记为β₁，所述准直光束12对应的入射角记为β₂；

步骤5、根据β₁和β₂计算被测光学元件的第二个表面的曲率半径r，所述曲率半径r的计算公式为：

其中，d为准直光束11和准直光束12的距离，在一具体实施例中，所述准直光束11和准直光束12距离d的取值为800um，该取值基本可涵盖较小元件的计算需要；

步骤6、根据所述曲率半径r计算波前W，所述波前W的计算公式为：

其中D为被测光学件的通光孔径；

所述步骤2和步骤3不分先后顺序执行。

所述步骤4中的入射角β₁和入射角β₂的计算方式具体为：

将准直光束11的第一光斑位置信息记为(x10，y10)，准直光束12的第一光斑位置信息记为(x20，y20)，准直光束11的第二光斑位置信息记为(x11，y11)，将准直光束11的第二光斑位置信息记为(x21，y21)；

将测光学件的折射率记为n；

计算准直光束11在被测光学元件的第二个表面的出射光束和入射光束之间的夹角α₁，所述α₁的计算公式为：

计算准直光束12在被测光学元件的第二个表面的出射光束和入射光束之间的夹角α₂，所述α₂的计算公式为：

根据折射定律得到：

所述准直光束11的入射角

所述准直光束12的入射角

有一定波前畸变的光学元件都可以等效成一个完全的平面和一个带有很大曲率的曲面，本发明正是利用这一点进行的光路计算，固定被测光学元件和光斑测试仪的位置，使得两者的距离固定。准直光束11和准直光束12在没有经过被测光学元件时，在光斑测试仪中读取光斑的位置信息(x10,y10)，(x20,y20)，准直光束11和准直光束12在垂直入射到被测光学元件后，在第二个表面发生折射，经过折射后光束入射到光斑测试仪，读取此时光斑的位置信息(x11,y11)，(x21,y21)。准直光束11和准直光束12的距离为d，被测光学元件的折射率为n。对于小型光学器件(特别的，对于2mm*2mm以内的光学器件)，取两个平行光束基本等于覆盖其整个面，因此，只需两平行光束即可得到一定精度的计算结果，完全满足实际要求。在平面上被测光学元件第二个表面的光束入射角分别为β₁和β₂，出射的光束与入射光束的夹角分别为α₁和α₂。根据光斑测试仪两次的位置信息可计算出α₁和α₂，由于曲率很大，入射角β₁和β₂都是小角度入射，可由折射定律计算出α₁和β₁的关系，根据β₁和β₂得到第二个表面的曲率半径r，从而计算波前。

本发明简化了光学元件的波前测量装置，只需要用一个光斑测试仪和能发射出平行光线的器件(如准直器)即可搭建测量平台，光路结构简单，设备成本低，且采用透过法，光能利用率高，利用光斑的偏移角去计算被测光学元件的曲率，进而得到波前，该计算过程无需经过计算机重构算法就可以获得波前数据，大大缩短了计算时间，且可满足较小光学元器件的快速测量，可以测量1mm*1mm以下的光学件。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (2)

1.一种简易的光学件波前测量方法，其特征在于：需提供沿光路方向分布的准直光源、被测光学元件和光斑测试仪，所述方法包括如下步骤：

步骤1、从所述准直光源出射两准直光束，分别为准直光束11和准直光束12；

步骤2、在无被测光学元件的情况下，两准直光束直接从准直光源入射到光斑测试仪上时，读取两准直光束对应的第一光斑位置信息；

步骤3、在有被测光学元件的情况下，两准直光束垂直入射到所述被测光学元件的第一个表面，在被测光学元件的第二个表面发生折射后，再入射到光斑测试仪上，读取两准直光束对应的第二光斑位置信息；

步骤4、利用两次读取到的光斑位置信息计算两准直光束在被测光学元件的第二个表面的入射角，将所述准直光束11对应的入射角记为β₁，所述准直光束12对应的入射角记为β₂；

步骤5、根据β₁和β₂计算被测光学元件的第二个表面的曲率半径r，所述曲率半径r的计算公式为：

其中，d为准直光束11和准直光束12的距离；

步骤6、根据所述曲率半径r计算波前W，所述波前W的计算公式为：

其中D为被测光学件的通光孔径；

所述步骤2和步骤3不分先后顺序执行。

2.如权利要求1所述的一种简易的光学件波前测量方法，其特征在于：所述步骤4中的入射角β₁和入射角β₂的计算方式具体为：

将准直光束11的第一光斑位置信息记为(x10，y10)，准直光束12的第一光斑位置信息记为(x20，y20)，准直光束11的第二光斑位置信息记为(x11，y11)，将准直光束11的第二光斑位置信息记为(x21，y21)；

将测光学件的折射率记为n；

计算准直光束11在被测光学元件的第二个表面的出射光束和入射光束之间的夹角α₁，所述α₁的计算公式为：

计算准直光束12在被测光学元件的第二个表面的出射光束和入射光束之间的夹角α₂，所述α₂的计算公式为：

所述准直光束11的入射角

所述准直光束12的入射角

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