CN117308813A - 一种基于光场衍射迭代的球面元件面形重构系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光场衍射迭代的球面元件面形重构系统及方法，涉及光学检测技术领域中的球面元件面形的检测，其目的在于解决现有技术中存在的球面元件面形重构时需要参考平面的面形测量方法，致使测量成本高、测量效率低的技术问题。激光经分光镜后分成两路，一路透射光被光陷吸收以避免形成杂散光，另一路反射光经待测球面镜后最终被CCD相机记录衍射光斑图，采用基于光场衍射迭代的相位重构算法实现球面类元件面形重构，得到含有待测球面镜误差的面型畸变、不含有待测球面镜误差的面型畸变，最终得到待测球面镜的面形误差，整个过程不需要参考平面的面形测量方法，测量成本较低、测量效率更高，具有很大应用前景。
Description
技术领域
本发明人属于光学检测技术领域，涉及一种球面元件面形的检测，尤其涉及一种基于光场衍射迭代的球面元件面形重构系统及方法。
背景技术
大口径球面类光学元件是大型激光装置空间滤波器的关键元件之一，其功能是为主放大系统提供光束传输通道和基准，实现滤除光束中傅里叶频谱高频分量、光束口径变换、像传递和隔离杂散光等功能。为保证光束顺利过孔，避免主光束经过空滤系统后产生较大波前畸变，须严格控制空滤透镜的面形质量。传统的测量方法是利用干涉法相对测量元件的面形，需要加工F数与待测球面镜匹配的标准球面透镜作为参考面，以使待测球面镜与标准球面镜反射光干涉，再利用相位重构算法获得元件的面形。
申请号为202210344661.0的发明专利申请就公开了超分辨晶圆缺陷检测系统，包括照明组件和成像组件，照明组件发射光源至成像组件中进行光斑检测，照明组件包括激光器，激光器发射激光光束至空间滤波器，空间滤波器通过对激光光束做滤波处理，生成滤波光束，滤波光束通过透镜射入分光棱镜，分光棱镜将滤波光束分为第一光束和第二光束，第一光束射入空间光调制器，空间光调制器对第一光束进行参量调制，分光棱镜射出的第二光束通过孔径进入第一物镜，透过第一物镜生成探测光束。本发明通过衍射光学机构生成单点光斑，单点光斑成像于光学系统的物面，以实现对成像物体的照明，通过单点光斑对成像物体扫描，获取被扫描后的成像物体的图像信息，并根据图像信息进行图像重构，进而提高成像效率。
申请号为202111552194.2的发明专利申请也公开了一种基于调制型双探测器的复振幅测量装置和方法，装置包括激光器模块，准直扩束器模块，分束器，两个光强探测器，波前调制器模块和控制及数据处理模块。待测光束被分为两束，其中一束直接由探测器记录，另一束经过调制器调制后由探测器记录。两幅衍射光斑之间通过相位迭代恢复算法可以恢复出待测光束的复振幅分布。该方法可以用于单状态或者多状态的波前测量，可以拓展至超快现象的测量领域。由于引入调制器的调制，提升了恢复算法的收敛性能，可以有效降低噪声水平。本发明可以测量单个或多个模态情况下的波前复振幅分布。
申请号为202111505712.5的发明专利也公开了一种高精度大口径光学元件装校面形在线检测装置和方法，激光器产生的相干光通过扩束系统后产生平行光束照射到装校大口径光学元件上，反射后的光束经过聚焦透镜聚焦后利用分束器将光束分出两束，其中一束照射到一块编码板上，编码板的作用是对入射光场进行调制编码，用一台光斑探测器记录形成的散射斑。另外一束垂直方向光束进入另一台光斑探测器并记录一幅光斑，用于增加信息量从而提高计算检测精度。利用两台光斑探测器记录的光斑强度，采用迭代算法高精度重构出装校大口径光学元件的面型分布。该检测方法无需干涉光路，受环境影响较小，装置结构简单，测量精度高，满足大口径光学元件装校面形在线检测的需求。
与上述专利一样，现有技术在测量不同F数的待测球面镜时，需加工不同的高精度标准球面镜，测量成本高、效率低。鉴于此，需要一种不需要参考平面的面形绝对测量方法实现球面元件面形高精度重构。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决现有技术中存在的球面元件面形重构时需要参考平面的面形测量方法，致使测量成本高、测量效率低的技术问题，本发明提供一种基于光场衍射迭代的球面元件面形重构系统及方法。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种基于光场衍射迭代的球面元件面形重构系统，包括激光器、准直镜、偏振片、透镜I、滤光孔、透镜II、分光镜、会聚透镜、待测球面镜、成像透镜、相位调制样品、二维平移台、CCD相机、光陷、计算机；相位调制样品放置于二维平移台上，CCD相机与计算机连接；
激光器产生的激光依次经准直镜、偏振片、透镜I、滤光孔、透镜II后入射至分光镜后分成两路；经分光镜反射的反射光经会聚透镜后入射至待测球面镜并产生反射，待测球面镜的反射光经会聚透镜、分光镜、成像透镜、相位调制样品后入射至CCD相机；经分光镜透射的透射光入射至光陷并被光陷接收。
进一步地，会聚透镜与待测球面镜共焦。
进一步地，会聚透镜为平凸透镜，会聚透镜的靠近分光镜的一侧为平面侧，会聚透镜的靠近待测球面镜的一侧为凸面侧。
进一步地，透镜I、滤光孔、透镜II组成准直系统，且滤光孔的中心孔孔径尺寸小于30μm。
进一步地，分光镜的分光比为1:1，且分光镜前后两面的楔角大于30″。
进一步地，二维平移台的扫描平面垂直于光路的光轴，相位调制样品位于成像透镜与成像透镜的焦点之间且垂直于光路的光轴；相位调制样品为具备光场相位和振幅调制且透光率大于50％的样品。
一种基于光场衍射迭代的球面元件面形重构方法，包括上述的基于光场衍射迭代的球面元件面形重构系统，步骤具体为：
步骤S1，将待测球面镜放置于光路中，调整待测球面镜，使会聚透镜与待测球面镜共焦；
步骤S2，控制二维平移台进行扫描，扫描时确保扫描图像中相邻两孔径重叠区域面积不小于单个孔径面积的50％，CCD相机保存每个扫描孔径的衍射光斑图；
步骤S3，利用衍射光斑图重构带系统误差的面形畸变H1(x,y)；
步骤S4，将待测球面镜移出光路，调整会聚透镜，使会聚透镜凸面的反射光进入CCD相机，CCD相机获得衍射光斑图；
步骤S5，重复步骤S3，重构带系统误差的面形畸变H2(x,y)；
步骤S6，计算待测球面镜的面形误差H(x,y)：
H(x,y)＝H1(x,y)－H2(x,y)。
进一步地，步骤S3中，重构面形畸变时，具体步骤为：
步骤S3-1，将入射到相位调制样品上的探针光的复振幅相位调制样品的复振幅/>赋于初始随机猜测；
其中，r0表示x0y0平面的位移矢量，m表示迭代次数，Sj表示第j个扫描区域所对应的扫描位移矢量；
步骤S3-2，将复振幅复振幅/>相乘，得到出射波复振幅/>
步骤S3-3，将出射波复振幅传输距离Z到CCD记录平面，得到光场复振幅
其中，表示菲涅尔衍射传输，Z表示传输距离，m表示迭代次数；
步骤S3-4，将CCD相机记录的衍射光斑图中的衍射光斑Ij(r)的平方根值替换的模并保持相位不变，形成新的复振幅值/>
步骤S3-5，将复振幅值逆向传播Z到样品平面，得到样品出射光复振幅
其中，表示逆菲涅尔衍射传输算法，Z表示传输距离，m表示迭代次数；
步骤S3-6，更新物面复振幅以及探针光复振幅/>
其中，α、β为常数，取0-1之间的正数，分别表示的共轭；
步骤S3-7，二维平移台移动到下一位置，且与上一次扫描区域存在重叠，重复步骤S3-4至步骤S3-6，得到准确的收敛结果；得到收敛后的最终的复振幅探针光复振幅/>并从最终的复振幅/>探针光复振幅/>中提取出相位，得到面形畸变H1(x,y)。
进一步地，步骤S3-7中，利用式(1.1)作为迭代收敛判据，当Er小于收敛判据的要求时跳出迭代循环
其中，表示第m次迭代的第j个区域计算得到的CCD复振幅，Ij(r)表示第j个区域CCD记录的光强分布，(x、y)分别表示像面坐标。
本发明的有益效果如下：
本发明中，激光经分光镜后分成两路，一路透射光被光陷吸收以避免形成杂散光，另一路反射光经待测球面镜后最终被CCD相机记录衍射光斑图(衍射光斑图即为光强图)，采用基于光场衍射迭代的相位重构算法实现球面类元件面形重构，得到含有待测球面镜误差的面型畸变、不含有待测球面镜误差的面型畸变，最终得到待测球面镜的面形误差，整个过程不需要参考平面的面形测量方法，测量成本较低、测量效率更高；且本申请所述方法具有测量精度高、测量方法简单、测量重复性好、动态范围大等优点，具有很大应用前景。
附图说明
图1是本发明的光路图；
图2是本发明中二维平移台的扫描路径图；
图3是本发明中CCD相机采集每个扫描孔径的衍射光斑图；
图4是本发明中重构待测球面镜面形的示意图；
其中，附图标记为：101-激光器、102-准直镜、103-偏振片、104-透镜I、105-滤光孔、106-透镜II、107-分光镜、108-会聚透镜、109-待测球面镜、110-成像透镜、111-相位调制样品、112-二维平移台、113-CCD相机、114-光陷、115-计算机。
具体实施方式
本实施例提供一种基于光场衍射迭代的球面元件面形重构系统，其包括有包括激光器101、准直镜102、偏振片103、透镜I104、滤光孔105、透镜II106、分光镜107、会聚透镜108、待测球面镜109、成像透镜110、相位调制样品111、二维平移台112、CCD相机113、光陷114、计算机115；相位调制样品111放置于二维平移台112上，CCD相机113与计算机115连接。
其中，透镜I104与透镜II106，共焦点，实现平行光输出。会聚透镜108与待测球面镜109共焦，使光束经待测球面镜后原路返回。激光经由透镜II106形成的平行光经由分光镜107后分为两路，一路光反射作为测量光，另一路光透射并被光陷114吸收以避免形成杂散光。
会聚透镜108为平凸透镜，会聚透镜108的靠近分光镜107的一侧为平面侧，会聚透镜108的靠近待测球面镜109的一侧为凸面侧。
透镜I104、滤光孔105、透镜II106组成准直系统，且滤光孔105的中心孔孔径尺寸小于30μm。
分光镜107的分光比为1:1，且分光镜前后两面的楔角大于30″。
二维平移台112的扫描平面(即移动平面)垂直于光路的光轴，相位调制样品111位于成像透镜110与成像透镜110的焦点之间且垂直于光路的光轴；相位调制样品111为具备光场相位和振幅调制且透光率大于50％的样品。
如图1所示，该重构系统的具体光路为：
激光器101产生的激光依次经准直镜102、偏振片103、透镜I104、滤光孔105、透镜II106后入射至分光镜107后分成两路；经分光镜107反射的反射光经会聚透镜108后入射至待测球面镜109并产生反射，待测球面镜109的反射光经会聚透镜108、分光镜107、成像透镜110、相位调制样品111后入射至CCD相机113，CCD相机113记录的衍射光斑图将被输入计算机115，用于重构面型；经分光镜107透射的透射光入射至光陷114并被光陷114接收。
采用该球面元件面形重构系统进行重构时，步骤具体为：
步骤S1，将待测球面镜109放置于光路中，调整待测球面镜109，使会聚透镜108与待测球面镜109共焦。
其中，待测球面镜109为口径为100mm、焦距为1000mm的凹球面镜，相位调制样品111为蜜蜂的翅膀。
步骤S2，控制二维平移台112进行扫描，扫描时确保扫描图像中相邻两孔径重叠区域面积不小于单个孔径面积的50％，CCD相机113保存每个扫描孔径的衍射光斑图。
二维平移台112按照图2所示的路径进行5*5阵列扫描，重叠率为70％，扫描孔径为2mm。在此基础上，CCD相机113采集每个扫描孔径的衍射光斑图如图3所示，此处的衍射光斑图即为光强图，下同。
步骤S3，利用衍射光斑图重构带系统误差的面形畸变H1(x,y)。
重构面形畸变时，具体步骤为：
步骤S3-1，将入射到相位调制样品(111)上的探针光的复振幅相位调制样品111的复振幅/>赋于初始随机猜测；
其中，r0表示x0y0平面的位移矢量，m表示迭代次数，Sj表示第j个扫描区域所对应的扫描位移矢量；
步骤S3-2，将复振幅复振幅/>相乘，得到出射波复振幅/>
步骤S3-3，将出射波复振幅传输距离Z到CCD记录平面，得到光场复振幅
其中，表示菲涅尔衍射传输，Z表示传输距离，m表示迭代次数；
步骤S3-4，将CCD相机113记录的衍射光斑图中的衍射光斑Ij(r)的平方根值替换的模并保持相位不变，形成新的复振幅值/>
步骤S3-5，将复振幅值逆向传播Z到样品平面，得到更接近真实值的样品出射光复振幅/>
其中，表示逆菲涅尔衍射传输算法，Z表示传输距离，m表示迭代次数；
步骤S3-6，更新物面复振幅以及探针光复振幅/>
其中，α、β为常数，取0-1之间的正数，分别表示的共轭；
将复振幅复振幅/>中的相位提取出来，并将提取出来的相位/>即得到H1(x,y)。
步骤S3-7，二维平移台112移动到下一位置，且与上一次扫描区域存在重叠，重复步骤S3-4至步骤S3-6，得到准确的收敛结果；得到收敛后的最终的复振幅探针光复振幅/>并从最终的复振幅/>探针光复振幅/>中提取出相位，并将提取出来的相位/>即得到面形畸变H1(x,y)。
步骤S3-7中，利用式(1..3)作为迭代收敛判据，当Er小于收敛判据的要求时跳出迭代循环
其中，表示第m次迭代的第j个区域计算得到的CCD复振幅，Ij(r)表示第j个区域CCD记录的光强分布，(x、y)分别表示像面坐标。
步骤S4，将待测球面镜(109)移出光路，调整会聚透镜(108)，使会聚透镜(108)凸面的反射光进入CCD相机(113)，CCD相机(113)获得衍射光斑图。
步骤S5，重构并得到面形畸变H2(x,y)的方法与重构并得到面形畸变H1(x,y)的方法相同；即，重复步骤S3(包括步骤S3-1至步骤S3-7)，重构并得到带系统误差的面形畸变H2(x,y)。
步骤S6，计算待测球面镜(109)的面形误差H(x,y)；
H(x,y)＝H1(x,y)－H2(x,y)；
其中，图4即为待测球面镜(109)的面形。
Claims (9)
1.一种基于光场衍射迭代的球面元件面形重构系统，其特征在于：
包括激光器(101)、准直镜(102)、偏振片(103)、透镜I(104)、滤光孔(105)、透镜II(106)、分光镜(107)、会聚透镜(108)、待测球面镜(109)、成像透镜(110)、相位调制样品(111)、二维平移台(112)、CCD相机(113)、光陷(114)、计算机(115)；相位调制样品(111)放置于二维平移台(112)上，CCD相机(113)与计算机(115)连接；
激光器(101)产生的激光依次经准直镜(102)、偏振片(103)、透镜I(104)、滤光孔(105)、透镜II(106)后入射至分光镜(107)后分成两路；经分光镜(107)反射的反射光经会聚透镜(108)后入射至待测球面镜(109)并产生反射，待测球面镜(109)的反射光经会聚透镜(108)、分光镜(107)、成像透镜(110)、相位调制样品(111)后入射至CCD相机(113)；经分光镜(107)透射的透射光入射至光陷(114)并被光陷(114)接收。
2.如权利要求1所述的一种基于光场衍射迭代的球面元件面形重构系统，其特征在于：会聚透镜(108)与待测球面镜(109)共焦。
3.如权利要求2所述的一种基于光场衍射迭代的球面元件面形重构系统，其特征在于：会聚透镜(108)为平凸透镜，会聚透镜(108)的靠近分光镜(107)的一侧为平面侧，会聚透镜(108)的靠近待测球面镜(109)的一侧为凸面侧。
4.如权利要求1所述的一种基于光场衍射迭代的球面元件面形重构系统，其特征在于：透镜I(104)、滤光孔(105)、透镜II(106)组成准直系统，且滤光孔(105)的中心孔孔径尺寸小于30μm。
5.如权利要求1所述的一种基于光场衍射迭代的球面元件面形重构系统，其特征在于：分光镜(107)的分光比为1:1，且分光镜前后两面的楔角大于30″。
6.如权利要求1所述的一种基于光场衍射迭代的球面元件面形重构系统，其特征在于：二维平移台(112)的扫描平面垂直于光路的光轴，相位调制样品(111)位于成像透镜(110)与成像透镜(110)的焦点之间且垂直于光路的光轴；相位调制样品(111)为具备光场相位和振幅调制且透光率大于50％的样品。
7.一种基于光场衍射迭代的球面元件面形重构方法，其特征在于，包括权利要求1-6中任一项所述的基于光场衍射迭代的球面元件面形重构系统，步骤具体为：
步骤S1，将待测球面镜(109)放置于光路中，调整待测球面镜(109)，使会聚透镜(108)与待测球面镜(109)共焦；
步骤S2，控制二维平移台(112)进行扫描，扫描时确保扫描图像中相邻两孔径重叠区域面积不小于单个孔径面积的50％，CCD相机(113)保存每个扫描孔径的衍射光斑图；
步骤S3，利用衍射光斑图重构带系统误差的面形畸变H1(x,y)；
步骤S4，将待测球面镜(109)移出光路，调整会聚透镜(108)，使会聚透镜(108)凸面的反射光进入CCD相机(113)，CCD相机(113)获得衍射光斑图；
步骤S5，重复步骤S3，重构带系统误差的面形畸变H2(x,y)；
步骤S6，计算待测球面镜(109)的面形误差H(x,y)：
H(x,y)＝H1(x,y)－H2(x,y)。
8.如权利要求7所述的一种基于光场衍射迭代的球面元件面形重构方法，其特征在于：步骤S3中，重构面形畸变时，具体步骤为：
步骤S3-1，将入射到相位调制样品(111)上的探针光的复振幅相位调制样品(111)的复振幅/>赋于初始随机猜测；
其中，r0表示x0y0平面的位移矢量，m表示迭代次数，Sj表示第j个扫描区域所对应的扫描位移矢量；
步骤S3-2，将复振幅复振幅/>相乘，得到出射波复振幅/>
步骤S3-3，将出射波复振幅传输距离Z到CCD记录平面，得到光场复振幅/>
其中，表示菲涅尔衍射传输，Z表示传输距离，m表示迭代次数；
步骤S3-4，将CCD相机(113)记录的衍射光斑图中的衍射光斑Ij(r)的平方根值替换的模并保持相位不变，形成新的复振幅值/>
步骤S3-5，将复振幅值逆向传播Z到样品平面，得到样品出射光复振幅/>
其中，表示逆菲涅尔衍射传输算法，Z表示传输距离，m表示迭代次数；
步骤S3-6，更新物面复振幅以及探针光复振幅/>
其中，α、β为常数，取0-1之间的正数，分别表示/>的共轭；
步骤S3-7，二维平移台(112)移动到下一位置，且与上一次扫描区域存在重叠，重复步骤S3-4至步骤S3-6，得到准确的收敛结果；得到收敛后的最终的复振幅探针光复振幅/>并从最终的复振幅/>探针光复振幅/>中提取出相位，得到面形畸变H1(x,y)。
9.如权利要求8所述的一种基于光场衍射迭代的球面元件面形重构方法，其特征在于：步骤S3-7中，利用式(1.1)作为迭代收敛判据，当Er小于收敛判据的要求时跳出迭代循环
其中，表示第m次迭代的第j个区域计算得到的CCD复振幅，Ij(r)表示第j个区域CCD记录的光强分布，(x、y)分别表示像面坐标。
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