CN112284686B - 一种像差测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种像差测量装置及方法。装置包括光源、偏振态生成单元、分束单元、第一反射单元、第二反射单元、偏振态检测单元及探测单元；偏振态生成单元将光源发出的光线调制为至少三种偏振光；分束单元将偏振光分为第一光束和第二光束；测偏振像差时，第一光束经待测透镜、第一反射单元、待测透镜、分束单元、偏振态检测单元后入射到探测单元，根据光强测得偏振像差；测波像差时，第一光束与上述过程相同；第二光束经第二反射单元、分束单元、偏振态检测单元后入射到探测单元，根据干涉测得波像差。本发明的技术方案，可以实现一套装置测量波像差和偏振像差，简化测量过程，节约成本，而且可以测量任意偏振态下的波像差，提高波像差测量精度。

Description

一种像差测量装置及方法

技术领域

本发明实施例涉及光学测量技术，尤其涉及一种像差测量装置及方法。

背景技术

透镜的波像差和偏振像差是透镜的光学性能检测中两个重要的指标。透镜的波像差影响着成像的分辨率以及特征尺寸均匀性等关键性能。测得透镜的波像差后可以通过移动可动镜片、改变个别镜片的温度等补偿手段，对波像差进行减小优化。透镜的偏振像差会随着透镜数值孔径的增加，不断削弱p偏振光(偏振方向平行于入射面)的成像对比度。为了提高成像对比度，会采取环形光照明，目的是使通过透镜的光束保持为s偏振光(偏振方向垂直于入射面)。这就要求透镜对偏振的改变很小，入射到透镜的光束和从透镜出射的光束的偏振态改变被命名为偏振像差。偏振像差包括s偏振光和p偏振光的振幅差和相位差，称为二向振幅衰减和二向相位衰减，通常用琼斯矩阵或穆勒矩阵描述。测得的偏振像差可以证明透镜的镀膜及透镜本身的应力双折射是否符合要求。

现有的像差测量装置，无法实现波像差与偏振像差的同时测量，例如现有的波像差测量装置，可以分别测得s偏振光和p偏振光的波像差，s偏振光的波像差减去p偏振光的波像差可以得到偏振像差中的二向相位衰减，但是不能得到二向振幅衰减；而且现有带偏振的波像差检测装置不能测量除了s偏振光和p偏振光外的任意偏振态下的波像差。复杂偏振态的照明有助于提高成像的分辨率，测出任意偏振态下的波像差能对像质进行补偿，提高成像效果。而现有的偏振像差测量装置不能同时实现波像差测量，导致现有的像差测量时需要分别用不同的装置测量波像差和偏振像差，且测量过程复杂，成本较高。

发明内容

本发明实施例提供一种像差测量装置及方法，以实现使用同一套装置可测量波像差和偏振像差，简化测量过程，节约成本，而且可以测量任意偏振态下的波像差，提高波像差测量精度。

第一方面，本发明实施例提供一种像差测量装置，用于测量待测透镜的波像差和偏振像差，所述像差测量装置包括光源、偏振态生成单元、分束单元、第一反射单元、第二反射单元、偏振态检测单元以及探测单元；

其中，所述偏振态生成单元位于所述光源的出光侧，用于将所述光源发出的光线调制为至少三种偏振态的偏振光；

所述分束单元位于所述偏振态生成单元的出射光路上，用于将所述偏振光分为第一光束和第二光束；

测量偏振像差时，所述第一光束经过所述待测透镜透射后入射到所述第一反射单元，经过所述第一反射单元反射后依次经过所述待测透镜、所述分束单元、所述偏振态检测单元后入射到所述探测单元，所述探测单元根据测得的光强测得偏振像差；

测量波像差时，所述第一光束经过所述待测透镜透射后入射到所述第一反射单元，经过所述第一反射单元反射后依次经过所述待测透镜、所述分束单元、所述偏振态检测单元后入射到所述探测单元；所述第二光束入射到所述第二反射单元，经过所述第二反射单元反射后依次经过所述分束单元、所述偏振态检测单元后入射到所述探测单元，所述探测单元根据所述第一光束和所述第二光束的干涉测得波像差。

可选的，所述偏振态生成单元、所述分束单元、所述待测透镜和所述第一反射单元的中心沿第一方向依次排列，所述第二反射单元、所述分束单元、所述偏振态检测单元和所述探测单元的中心沿第二方向依次排列；

所述第一光束为所述分束单元的透射光束，所述第一光束的传输路径为：经过所述待测透镜透射后入射到所述第一反射单元，经过所述第一反射单元反射后再次经过所述待测透镜透射，入射到所述分束单元，经过所述分束单元反射后入射到所述偏振态检测单元透射，最后入射到所述探测单元；

所述第二光束为所述分束单元的反射光束，所述第二光束的传输路径为：入射到所述第二反射单元，经过所述第二反射单元反射后，依次经过所述分束单元和所述偏振态检测单元透射，入射到所述探测单元。

可选的，所述偏振态生成单元、所述分束单元和所述第二反射单元的中心沿第一方向依次排列，所述第一反射单元、所述待测透镜、所述分束单元、所述偏振态检测单元和所述探测单元的中心沿第二方向依次排列；

所述第一光束为所述分束单元的反射光束，所述第一光束的传输路径为：经过所述待测透镜透射后入射到所述第一反射单元，经过所述第一反射单元反射后依次经过所述待测透镜、所述分束单元和所述偏振态检测单元透射后，入射到所述探测单元；

所述第二光束为所述分束单元的透射光束，所述第二光束的传输路径为：入射到所述第二反射单元，经过所述第二反射单元反射后，入射到所述分束单元，经过所述分束单元反射后入射到所述偏振态检测单元透射，最后入射到所述探测单元。

可选的，还包括：

测量模式切换单元，所述测量模式切换单元用于在测量偏振像差时，阻止所述第二反射单元将所述第二光束反射至所述分束单元。

可选的，所述测量模式切换单元包括第一驱动机构，所述第一驱动机构用于在测量偏振像差时驱动所述第二反射单元的反射面移出所述第二光束的光路。

可选的，所述测量模式切换单元包括第二驱动机构和遮光片，所述第二驱动机构用于在测量偏振像差时驱动所述遮光片遮挡所述第二光束，以阻止所述第二反射单元将所述第二光束反射至所述分束单元。

可选的，还包括第一光路调整单元，所述第一光路调整单元位于所述第一光束的传输光路上，用于将所述第一光束汇聚后入射到所述待测透镜。

可选的，还包括第二光路调整单元，所述第二光路调整单元位于所述偏振态检测单元与所述探测单元之间，用于汇聚所述探测单元接收的光束。

可选的，所述第二光路调整单元包括汇聚透镜和光阑，所述光阑位于所述汇聚透镜与所述探测单元之间。

可选的，所述偏振态生成单元包括沿光路传播方向共第一光轴依次设置的第一偏振片和第一四分之一波片，所述第一偏振片和所述第一四分之一波片均可绕所述第一光轴旋转，以产生至少三种偏振态的偏振光；

所述偏振态检测单元包括沿光路传播方向共第二光轴依次设置的第二四分之一波片和第二偏振片，所述第二四分之一波片和所述第二偏振片均可绕所述第二光轴旋转。

可选的，所述第一反射单元包括凹面反射镜。

可选的，所述第二反射单元包括一平面反射镜。

可选的，所述第二反射单元包括多个可绕中心旋转的空间光调制器。

第二方面，本发明实施例还提供一种像差测量方法，适用于上述任意一种像差测量装置，所述像差测量方法包括：

偏振态生成单元将光源发出的光线调制为偏振光；

分束单元将所述偏振光分为第一光束和第二光束；

测量偏振像差时，所述第一光束经过待测透镜透射后入射到第一反射单元，经过第一反射单元反射后依次经过待测透镜、分束单元、偏振态检测单元后入射到探测单元，所述探测单元根据测得的光强测得偏振像差；

测量波像差时，第一光束经过所述待测透镜透射后入射到所述第一反射单元，经过所述第一反射单元反射后依次经过所述待测透镜、所述分束单元、所述偏振态检测单元后入射到所述探测单元；所述第二光束入射到第二反射单元，经过所述第二反射单元反射后依次经过所述分束单元、所述偏振态检测单元后入射到所述探测单元，所述探测单元根据所述第一光束和所述第二光束的干涉测得波像差。

本发明实施例提供的像差测量装置，包括光源、偏振态生成单元、分束单元、第一反射单元、第二反射单元、偏振态检测单元以及探测单元；其中，偏振态生成单元位于光源的出光侧，用于将光源发出的光线调制为至少三种偏振态的偏振光；分束单元，位于偏振态生成单元的出射光路上，用于将偏振光分为第一光束和第二光束；测量偏振像差时，第一光束经过待测透镜透射后入射到第一反射单元，经过第一反射单元反射后依次经过待测透镜、分束单元、偏振态检测单元后入射到探测单元，探测单元根据测得的光强测得偏振像差；测量波像差时，第一光束经过待测透镜透射后入射到第一反射单元，经过第一反射单元反射后依次经过待测透镜、分束单元、偏振态检测单元后入射到探测单元；第二光束入射到第二反射单元，经过第二反射单元反射后依次经过分束单元、偏振态检测单元后入射到探测单元，探测单元根据第一光束和第二光束的干涉测得波像差。通过偏振态生成单元将光源发出的光线调制为至少三种偏振态的偏振光，通过分束单元将偏振光分为第一光束和第二光束，当测量偏振像差时，将第二反射单元置于第二光束的光路之外，第一光束经过待测透镜透射两次后被探测单元接收，提高测量精度；当测量波像差时，将第二反射单元置于第二光束的光路上，第一光束与测量偏振像差时的路径相同，第二光束被第二反射单元反射后与第一光束在探测单元的探测位置发生干涉，根据第一光束和第二光束的干涉测得波像差，实现使用同一套装置可测量波像差和偏振像差，简化测量过程，节约成本。

附图说明

图1是现有技术中一种像差测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种像差测量装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种像差测量装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的又一种像差测量装置的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的又一种像差测量装置的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的又一种像差测量装置的结构示意图；

图7和图8分别是本发明实施例提供的又一种像差测量装置的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的又一种像差测量装置的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的又一种像差测量装置的结构示意图；

图11是本发明实施例提供的一种第二反射单元的结构示意图；

图12是本发明实施例提供的一种像差测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1所示为现有技术中一种像差测量装置的结构示意图。参考图1，该像差测量装置为椭偏仪，该椭偏仪包括光源1，偏振态生成单元2，偏振态检测单元3和探测单元4，光源1出射的平行光，即空间相干性较好的光束，其偏振特性用斯托克斯向量S_in描述，通过偏振态生成单元2后生成大于或等于三种不同的偏振态，用斯托克斯向量扩展成的矩阵W描述。待测透镜5对通过了偏振态生成单元2的光束的偏振态进行调制得到用斯托克斯向量S来描述偏振态的光束，之后经过偏振态检测单元3对光束S进一步调制，得到用斯托克斯向量S_out来描述偏振态的光束，探测单元4用于收集偏振特性为S_out的光束的光强。由探测单元4上的光强，通过偏振态生成单元2生成的大于或等于三种的偏振态，以及大于或等于三种的由偏振态检测单元3调制得的偏振态，可以求解出待测透镜5的偏振调制特性，用穆勒矩阵M_sample描述。

以下介绍矩阵A和W的定义：

设M_PSA表示偏振态检测单元3的穆勒矩阵。由斯托克斯向量和穆勒矩阵的关系得：

S_out＝M_PSAS (1)

取S_out向量[I_out Q_out U_out V_out]^T的第一个元素I_out，则式(1)变为：

其中

表示M_PSA矩阵的第i行第j列元素。当偏振态检测单元3中的偏振元件因不同方位角的组合形成不同的偏振态，共计q种偏振态时，则式(2)的左边将扩展为向量：

如定义S＝M_sample·W，其中W矩阵由斯托克斯向量连接而成，矩阵的列数n代表偏振态生成单元2中的偏振元件由于方位角组合而形成的n种偏振态，则式(3)将扩展为：

其中把矩阵A定义为q种由偏振态检测单元3的穆勒矩阵的第一行向量拼接成的矩阵，矩阵W定义为n种偏振态生成单元2的偏振态的由斯托克斯列向量连接成的矩阵。

图2所示为本发明实施例提供的一种像差测量装置的结构示意图，参考图2，本实施例提供的像差测量装置可用于测量待测透镜100的波像差和偏振像差，该像差测量装置包括光源10、偏振态生成单元20、分束单元30、第一反射单元40、第二反射单元50、偏振态检测单元60以及探测单元70；其中，偏振态生成单元20位于光源10的出光侧，用于将光源10发出的光线调制为至少三种偏振态的偏振光；分束单元30位于偏振态生成单元20的出射光路上，用于将偏振光分为第一光束a(图1中实线表示)和第二光束b(图1中虚线表示)；测量偏振像差时，第一光束a经过待测透镜100透射后入射到第一反射单元40，经过第一反射单元40反射后依次经过待测透镜100、分束单元30、偏振态检测单元60后入射到探测单元70，探测单元70根据测得的光强测得偏振像差；测量波像差时，第一光束a经过待测透镜100透射后入射到第一反射单元40，经过第一反射单元40反射后依次经过待测透镜100、分束单元30、偏振态检测单元60后入射到探测单元70；第二光束b入射到第二反射单元50，经过第二反射单元50反射后依次经过分束单元30、偏振态检测单元60后入射到探测单元70，探测单元70根据第一光束a和第二光束b的干涉测得波像差。

其中，分束单元30只用于将偏振态生成单元20产生的偏振光分为第一光束a和第二光束b，而不改变光束的偏振状态，探测单元70可以包括电荷耦合器件CCD或互补金属氧化物半导体CMOS，本发明实施例对此不作限定。可选的，第一反射单元40可以包括一凹面反射镜，第二反射单元50可以包括一平面反射镜。

本实施例提供的像差测量装置测量偏振像差时，探测单元70上得到待测透镜100瞳面上的光强分布为：

其中矩阵I_ccd、A和W的定义参见式(4)；

为光反向进入待测透镜100，即从第一反射单元40的反射光进入待测透镜100时待测透镜100的穆勒矩阵；

为光正向进入待测透镜，即光线经过分束单元30作为入射光时待测透镜100的穆勒矩阵。根据式(5)，被测透镜100的矩阵为：

第一反射单元40和待测透镜100组合成的穆勒矩阵可由测量得到的光强分布I，偏振态检测单元60及偏振态生成单元20构成的A，W矩阵得到，为了方便矩阵取逆，在本实施例中，选择四种不同的偏振态生成单元20和四种不同的偏振态检测单元60的偏振态。同任意琼斯矩阵可以分解为表示相位延迟、偏振的琼斯矩阵之积类似，任意非偏现象小的透镜的穆勒矩阵也可以分解为M≈M^pol·M^ret，即：

其中，

表示只描述透镜偏振振幅特性的穆勒矩阵，d表示消光比，θ表示方位角角度；

表示只描述透镜相位特性的穆勒矩阵，φ表示相位角，β表示方位角角度；R(θ)和R(β)表示旋转角度分别为θ和β的旋转矩阵。第一反射单元40颠倒了方位角角度，因此光束正向和逆向入射被测透镜100的穆勒矩阵存在对应关系

M_mirrorR(θ)＝R(-θ) (9)

当第一反射单元40为凹面镜时，理想凹面反射镜在光束垂直入射的情况下的穆勒矩阵为：

因此M_mirror·M_mirror＝1。在式(10)的两个等式的两边均乘以M_mirror，可以得到：

利用式(7)(8)(9)(11)，式(6)可以表示为：

实际测量时，由式(13)左端运算得到的为待测透镜100的穆勒矩阵的平方，要得到待测透镜100的穆勒矩阵，需对

先进行对角化得到对角矩阵和由四个本征向量为列向量的矩阵V：

再对对角矩阵取平方根，左乘V矩阵，右乘V^-1，得到待测透镜100的穆勒矩阵，共有16组解，选取穆勒矩阵对角线元素接近1，且非对角线元素接近0的解作为待测透镜100的穆勒矩阵。

待测透镜100的穆勒矩阵也可转换为琼斯矩阵，当满足trace(M^TM)＝4M₁₁ ²时，4×4的穆勒矩阵可以通过如下等式转化为2×2的琼斯矩阵：

得到琼斯矩阵后，可以对琼斯矩阵的四个元素进行定向泽尼克多项式(Orientation Zernike polynomials)分解，得到描述偏振像差中的二向振幅衰减和二向相位衰减的数值。

本实施例提供的像差测量装置测量波像差时，利用第一光束a和第二光束b的相干成像原理，若令参与相干的第一光束a中从分束单元30出发，正向通过待测透镜100，第一反射单元40，逆向通过待测透镜100，到达分束单元30的光程为

并且令参与相干的第二光路b中从分束单元30出发，到达第二反射单元50，再回到分束单元30的光程为

则在探测单元70上接收到的干涉条纹的光强可以表述为

当

被精确地标定后，

的值便可通过光强I精确地得到。为了得到

的值，需标定出每个像素的光强和每个像素的相位的对应关系。可以在z方向上移动第二反射单元50的位置，使在探测单元70上的每个像素的光强均经历一个周期的明暗变化，再根据每个像素点上的光强I，推断每个像素在一个周期内的相对相位。

包括两次通过待测透镜100及第一反射单元40的波像差，当第一反射单元40的面型被精确地标定后，待测透镜100的波像差便可求出。

本发明实施例的技术方案，通过偏振态生成单元将光源发出的光线调制为至少三种偏振态的偏振光，通过分束单元将偏振光分为第一光束和第二光束，当测量偏振像差时，将第二反射单元置于第二光束的光路之外，第一光束经过待测透镜透射两次后被探测单元接收，提高测量精度；当测量波像差时，将第二反射单元置于第二光束的光路上，第一光束与测量偏振像差时的路径相同，第二光束被第二反射单元反射后与第一光束在探测单元的探测位置发生干涉，根据第一光束和第二光束的干涉测得波像差，实现使用同一套装置可测量波像差和偏振像差，简化测量过程，节约成本，而且可以测量任意偏振态下的波像差，提高波像差测量精度。

在上述技术方案的基础上，图3所示为本发明实施例提供的另一种像差测量装置的结构示意图。参考图3，可选的，偏振态生成单元20、分束单元30、待测透镜100和第一反射单元40的中心沿第一方向y依次排列，第二反射单元50、分束单元30、偏振态检测单元60和探测单元70的中心沿第二方向z依次排列；第一光束a为分束单元30的透射光束，第一光束a的传输路径为：经过待测透镜100透射后入射到第一反射单元40，经过第一反射单元40反射后再次经过待测透镜100透射，入射到分束单元30，经过分束单元30反射后入射到偏振态检测单元60透射，最后入射到探测单元70；第二光束b为分束单元30的反射光束，第二光束b的传输路径为：入射到第二反射单元50，经过第二反射单元50反射后，依次经过分束单元30和偏振态检测单元60透射，入射到探测单元70。

图4所示为本发明实施例提供的又一种像差测量装置的结构示意图。参考图4，可选的，偏振态生成单元20、分束单元30和第二反射单元50的中心沿第一方向y依次排列，第一反射单元40、待测透镜100、分束单元30、偏振态检测单元60和探测单元70的中心沿第二方向z依次排列；第一光束a为分束单元30的反射光束，第一光束a的传输路径为：经过待测透镜100透射后入射到第一反射单元40，经过第一反射单元40反射后依次经过待测透镜100、分束单元30和偏振态检测单元透射60后，入射到探测单元70；第二光束b为分束单元30的透射光束，第二光束b的传输路径为：入射到第二反射单元50，经过第二反射单元50反射后，入射到分束单元30，经过分束单元30反射后入射到偏振态检测单元60透射，最后入射到探测单元70。

图5所示为本发明实施例提供的又一种像差测量装置的结构示意图。参考图5，可选的，本实施例提供的像差测量装置还包括：测量模式切换单元80，测量模式切换单元80用于在测量偏振像差时，阻止第二反射单元50将第二光束b反射至分束单元30。

可选的，继续参考图5，测量模式切换单元80包括第一驱动机构81，第一驱动机构81用于在测量偏振像差时驱动第二反射单元50的反射面移出第二光束b的光路。

可以理解的是，第一驱动机构81可以驱动第二反射单元50发生平移或旋转，在测量偏振像差时移出第二光束b的光路。

图6所示为本发明实施例提供的又一种像差测量装置的结构示意图。参考图6，可选的，测量模式切换单元80包括第二驱动机构82和遮光片83，第二驱动机构82用于在测量偏振像差时驱动遮光片83遮挡第二光束b，以阻止第二反射单元50将第二光束b反射至分束单元30。

可以理解的是，可以设置第二驱动机构82驱动遮光片83发生平移或旋转，在测量偏振像差时遮挡第二光束b的光线，本发明实施例对此不作限定。

在其他实施例中，当待测透镜的物方和像方均有数值孔径时，图7和图8所示分别为本发明实施例提供的又一种像差测量装置的结构示意图，参考图7和图8，可选的，本实施例提供的像差测量装置还包括第一光路调整单元90，第一光路调整单元90位于第一光束a的传输光路上，用于将第一光束a汇聚后入射到待测透镜100。

可以理解的是，图7所示的结构与图3类似，图8所示的结构与图4类似，在具体实施时，第一光路调整单元90可以为一块汇聚透镜，将平行的第一光束a汇聚成和待测透镜100的入射数值孔径匹配的光束。在该装置下，等式(14)左侧为

其中M_L为汇聚透镜的穆勒矩阵，M_L可由前述实施例提供的装置测量得到。

图9所示为本发明实施例提供的又一种像差测量装置的结构示意图，参考图9，可选的，本实施例提供的像差测量装置还包括第二光路调整单元91，第二光路调整单元91位于偏振态检测单元60与探测单元70之间，用于汇聚探测单元70接收的光束。

可以理解的是，探测单元70接收的光束的光斑面积可能比较大，这就需要大光敏面的探测单元70，通过设置第二光路调整单元91对光束进行汇聚，可以减小探测单元70的光敏面，降低成本。

可选的，继续参考图9，第二光路调整单元91包括汇聚透镜911和光阑912，光阑912位于汇聚透镜100与探测单元70之间。其中光阑912设置在汇聚透镜911的焦点，探测单元70置于离焦处，这样能使探测单元70的尺寸适应多种待测透镜100的光瞳大小。

需要说明的是，本实施例中所示的汇聚透镜911仅是示意性的，具体实施时，还可以为具有汇聚作用的透镜组等结构，本发明实施例对此不作限定。

图10所示为本发明实施例提供的又一种像差测量装置的结构示意图，参考图10，可选的，偏振态生成单元20包括沿光路传播方向共第一光轴依次设置的第一偏振片21和第一四分之一波片22，第一偏振片21和第一四分之一波片22均可绕第一光轴旋转，以产生至少三种偏振态的偏振光；偏振态检测单元60包括沿光路传播方向共第二光轴依次设置的第二四分之一波片61和第二偏振片62，第二四分之一波片61和第二偏振片62均可绕第二光轴旋转。

可以理解的是，通过第一偏振片21和第一四分之一波片22绕第一光轴旋转，第一偏振片21的透射轴和第一四分之一波片22的光轴可以呈不同夹角，产生不同偏振状态的偏振光，通过第二四分之一波片61和第二偏振片62绕第二光轴旋转，可以与第一偏振片21和第一四分之一波片22匹配，实现偏振态检测。

本实施例的技术方案，能测量任意偏振光束下样品的波像差，入射至待测透镜光束的任意偏振态可通过调节偏振态生成单元中的第一偏振片和第一四分之一波片的方位角实现。比如：要实现s偏振光的测量时，将第一偏振片的透射轴和第一四分之一波片的快轴对准；要使入射的光束为p偏振光时，将实现s偏振光时的第一偏振片和第一四分之一波片的两个元件的方位角沿光束传播方向同向旋转90°；要实现圆偏光测量时，使第一偏振片的透射轴和第一四分之一波片的快轴的夹角为45°。

图11所示为本发明实施例提供的一种第二反射单元的结构示意图，参考图11，可选的，第二反射单元50包括多个可绕中心旋转的空间光调制器51。

第二反射单元50除了使用平面反射镜结构外，也可以设计为空间光调制器51。其中每个空间光调制器51为可单独上下及沿方位角和俯仰角转动的反射镜。每个空间光调制器51的尺寸均小于待测透镜的光瞳直径。使用时改变每个空间光调制器51的高度、方位角和俯仰角的角度，使得探测单元上的每个像素的光强均经历一个周期的明暗变化。

图12所示为本发明实施例提供的一种像差测量方法的流程示意图，参考图12，本实施例提供的像差测量方法可适用于上述实施例提供的任意一种像差测量装置，该像差测量方法包括：

步骤S110、偏振态生成单元将光源发出的光线调制为至少三种偏振态的偏振光。

步骤S120、分束单元将偏振光分为第一光束和第二光束。

其中，分束单元只用于将偏振态生成单元产生的偏振光分为第一光束和第二光束，而不改变光束的偏振状态。

步骤S130、测量偏振像差时，第一光束经过待测透镜透射后入射到第一反射单元，经过第一反射单元反射后依次经过待测透镜、分束单元、偏振态检测单元后入射到探测单元，探测单元根据测得的光强测得偏振像差。

步骤S140、测量波像差时，第一光束经过待测透镜透射后入射到第一反射单元，经过第一反射单元反射后依次经过待测透镜、分束单元、偏振态检测单元后入射到探测单元；第二光束入射到第二反射单元，经过第二反射单元反射后依次经过分束单元、偏振态检测单元后入射到探测单元，探测单元根据第一光束和第二光束的干涉测得波像差。

需要说明的是，步骤S130和步骤S140的先后顺序不作限定，具体实施时，可以先测量偏振像差，再测量波像差，也可以先测量波像差，再测量偏振像差。

本发明实施例的技术方案，通过偏振态生成单元将光源发出的光线调制为至少三种偏振态的偏振光，通过分束单元将偏振光分为第一光束和第二光束，当测量偏振像差时，将第二反射单元置于第二光束的光路之外，第一光束经过待测透镜透射两次后被探测单元接收，提高测量精度；当测量波像差时，将第二反射单元置于第二光束的光路上，第一光束与测量偏振像差时的路径相同，第二光束被第二反射单元反射后与第一光束在探测单元的探测位置发生干涉，根据第一光束和第二光束的干涉测得波像差，实现使用同一套装置可测量任意偏振态下波像差和偏振像差，简化测量过程，节约成本。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (13)

1.一种像差测量装置，其特征在于，用于测量待测透镜的波像差和偏振像差，所述像差测量装置包括光源、偏振态生成单元、分束单元、第一反射单元、第二反射单元、偏振态检测单元、测量模式切换单元，以及探测单元；

其中，所述偏振态生成单元位于所述光源的出光侧，用于将所述光源发出的光线调制为至少三种偏振态的偏振光；

所述分束单元位于所述偏振态生成单元的出射光路上，用于将所述偏振光分为第一光束和第二光束；

测量偏振像差时，所述第一光束经过所述待测透镜透射后入射到所述第一反射单元，经过所述第一反射单元反射后依次经过所述待测透镜、所述分束单元、所述偏振态检测单元后入射到所述探测单元，所述探测单元根据测得的光强测得偏振像差；

测量波像差时，所述第一光束经过所述待测透镜透射后入射到所述第一反射单元，经过所述第一反射单元反射后依次经过所述待测透镜、所述分束单元、所述偏振态检测单元后入射到所述探测单元；所述第二光束入射到所述第二反射单元，经过所述第二反射单元反射后依次经过所述分束单元、所述偏振态检测单元后入射到所述探测单元，所述探测单元根据所述第一光束和所述第二光束的干涉测得波像差；

所述测量模式切换单元用于在测量偏振像差时，阻止所述第二反射单元将所述第二光束反射至所述分束单元。

2.根据权利要求1所述的像差测量装置，其特征在于，所述偏振态生成单元、所述分束单元、所述待测透镜和所述第一反射单元的中心沿第一方向依次排列，所述第二反射单元、所述分束单元、所述偏振态检测单元和所述探测单元的中心沿第二方向依次排列；

所述第一光束为所述分束单元的透射光束，所述第一光束的传输路径为：经过所述待测透镜透射后入射到所述第一反射单元，经过所述第一反射单元反射后再次经过所述待测透镜透射，入射到所述分束单元，经过所述分束单元反射后入射到所述偏振态检测单元透射，最后入射到所述探测单元；

所述第二光束为所述分束单元的反射光束，所述第二光束的传输路径为：入射到所述第二反射单元，经过所述第二反射单元反射后，依次经过所述分束单元和所述偏振态检测单元透射，入射到所述探测单元。

3.根据权利要求1所述的像差测量装置，其特征在于，所述偏振态生成单元、所述分束单元和所述第二反射单元的中心沿第一方向依次排列，所述第一反射单元、所述待测透镜、所述分束单元、所述偏振态检测单元和所述探测单元的中心沿第二方向依次排列；

所述第一光束为所述分束单元的反射光束，所述第一光束的传输路径为：经过所述待测透镜透射后入射到所述第一反射单元，经过所述第一反射单元反射后依次经过所述待测透镜、所述分束单元和所述偏振态检测单元透射后，入射到所述探测单元；

所述第二光束为所述分束单元的透射光束，所述第二光束的传输路径为：入射到所述第二反射单元，经过所述第二反射单元反射后，入射到所述分束单元，经过所述分束单元反射后入射到所述偏振态检测单元透射，最后入射到所述探测单元。

4.根据权利要求1所述的像差测量装置，其特征在于，所述测量模式切换单元包括第一驱动机构，所述第一驱动机构用于在测量偏振像差时驱动所述第二反射单元的反射面移出所述第二光束的光路。

5.根据权利要求1所述的像差测量装置，其特征在于，所述测量模式切换单元包括第二驱动机构和遮光片，所述第二驱动机构用于在测量偏振像差时驱动所述遮光片遮挡所述第二光束，以阻止所述第二反射单元将所述第二光束反射至所述分束单元。

6.根据权利要求1所述的像差测量装置，其特征在于，还包括第一光路调整单元，所述第一光路调整单元位于所述第一光束的传输光路上，用于将所述第一光束汇聚后入射到所述待测透镜。

7.根据权利要求1所述的像差测量装置，其特征在于，还包括第二光路调整单元，所述第二光路调整单元位于所述偏振态检测单元与所述探测单元之间，用于汇聚所述探测单元接收的光束。

8.根据权利要求7所述的像差测量装置，其特征在于，所述第二光路调整单元包括汇聚透镜和光阑，所述光阑位于所述汇聚透镜与所述探测单元之间。

9.根据权利要求1所述的像差测量装置，其特征在于，所述偏振态生成单元包括沿光路传播方向共第一光轴依次设置的第一偏振片和第一四分之一波片，所述第一偏振片和所述第一四分之一波片均可绕所述第一光轴旋转，以产生至少三种偏振态的偏振光；

所述偏振态检测单元包括沿光路传播方向共第二光轴依次设置的第二四分之一波片和第二偏振片，所述第二四分之一波片和所述第二偏振片均可绕所述第二光轴旋转。

10.根据权利要求1所述的像差测量装置，其特征在于，所述第一反射单元包括凹面反射镜。

11.根据权利要求1所述的像差测量装置，其特征在于，所述第二反射单元包括一平面反射镜。

12.根据权利要求1所述的像差测量装置，其特征在于，所述第二反射单元包括多个可绕中心旋转的空间光调制器。

13.一种像差测量方法，其特征在于，适用于权利要求1～12任一所述的像差测量装置，所述像差测量方法包括：

偏振态生成单元将光源发出的光线调制为至少三种偏振态的偏振光；

分束单元将所述偏振光分为第一光束和第二光束；

测量偏振像差时，阻止所述第二反射单元将所述第二光束反射至所述分束单元，所述第一光束经过待测透镜透射后入射到第一反射单元，经过第一反射单元反射后依次经过待测透镜、分束单元、偏振态检测单元后入射到探测单元，所述探测单元根据测得的光强测得偏振像差；

测量波像差时，第一光束经过所述待测透镜透射后入射到所述第一反射单元，经过所述第一反射单元反射后依次经过所述待测透镜、所述分束单元、所述偏振态检测单元后入射到所述探测单元；所述第二光束入射到第二反射单元，经过所述第二反射单元反射后依次经过所述分束单元、所述偏振态检测单元后入射到所述探测单元，所述探测单元根据所述第一光束和所述第二光束的干涉测得波像差。

Images