專利名稱:動(dòng)態(tài)高分辨率波前測(cè)量裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種動(dòng)態(tài)高分辨率波前測(cè)量裝置，包括衍射光學(xué)元件和光強(qiáng)傳感器，衍射光學(xué)元件和光強(qiáng)傳感器的中心軸重合，所述衍射光學(xué)元件為二維正交排布的微結(jié)構(gòu)元件，所述微結(jié)構(gòu)元件包括兩種結(jié)構(gòu)，其中奇數(shù)行奇數(shù)列與偶數(shù)行偶數(shù)列的結(jié)構(gòu)相同，奇數(shù)行偶數(shù)列與偶數(shù)行奇數(shù)列的結(jié)構(gòu)相同。本實(shí)用新型通過(guò)在一個(gè)全息片上設(shè)計(jì)兩種周期結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)激光束光場(chǎng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量，同時(shí)省去了系統(tǒng)標(biāo)定的過(guò)程，通過(guò)使用相位恢復(fù)算法提高了波前的重構(gòu)精度。
【專利說(shuō)明】
動(dòng)態(tài)高分辨率波前測(cè)量裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型屬于光學(xué)波前測(cè)量領(lǐng)域，具體設(shè)及動(dòng)態(tài)高分辨率波前測(cè)量裝置及方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著光學(xué)成像系統(tǒng)分辨率提高，傳統(tǒng)幾何像差、光學(xué)傳遞函數(shù)和點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)等已 經(jīng)無(wú)法滿足高分辨率光學(xué)成像系統(tǒng)像差描述的需求，波像差成為評(píng)價(jià)高精度光學(xué)系統(tǒng)成像 質(zhì)量更嚴(yán)格的評(píng)價(jià)手段。同時(shí)，波前的實(shí)時(shí)測(cè)量對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)超精密裝調(diào)、自適應(yīng)光學(xué)W及 大口徑光學(xué)加工等領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 目前主流的波前測(cè)量?jī)x器主要有干設(shè)儀和哈特曼-夏克傳感器兩大類。專利文件 EP2079223A1公開(kāi)了一種使用哈特曼-夏克傳感器作為波前檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，采用斜率 測(cè)量原理重構(gòu)出待測(cè)波前。哈特曼-夏克傳感器由微透鏡陣列和位于其焦平面的光強(qiáng)傳感 器組成，利用測(cè)量變形波前在像面的相對(duì)位移獲得波前斜率，重構(gòu)出待測(cè)波前。此后，哈特 曼-夏克傳感器作為波前檢測(cè)裝置廣泛應(yīng)用在激光光束質(zhì)量檢測(cè)、自適應(yīng)光學(xué)、視光學(xué)和大 口徑光學(xué)等領(lǐng)域。但其原理中的斜率重構(gòu)波前利用了近似:sin(0)>tan(0)>0，同時(shí)沒(méi)能 充分利用微透鏡子孔徑內(nèi)部的光強(qiáng)信息，降低了待測(cè)波前的重構(gòu)精度。名稱為一種基于哈 特曼波前傳感器的波前測(cè)量方法的專利文件CN102735348公開(kāi)了一種將波前斜率法和相位 恢復(fù)方法相結(jié)合的波前測(cè)量方法。文獻(xiàn)"Determination of wavefront structure for a Hartmann Wavefront Sensor using a phase-retrieval method''[A. Polo, V.Kutchoukov'F.Bociort'et al.,Opt.E邱ress[J],2012,20(7):7822-7832.]、"Phase retrieval using a modified Shack-Hartmann wavefront sensor with defocus.'' [C.Li，B.Li，S.Zhang.Appl.Opt.[J]，2014,53:618-624. ]W及"Wave-front reconstruction with Hartmann-Shack sensor using a phase-retrieval method'' [J丄i，Y.Gong,H.化en，et al.Opt.Commun.[J] ,2015,336:127-133]均報(bào)道了在哈特曼傳 感器或哈特曼-夏克傳感器中使用相位恢復(fù)的方法，克服基于斜率方法計(jì)算存在的缺點(diǎn)。但 運(yùn)些方法需要依次測(cè)量?jī)纱喂鈴?qiáng)分布，無(wú)法實(shí)現(xiàn)波前的實(shí)時(shí)測(cè)量。
[0004] 專利文件US7333216B2公開(kāi)了一種利用多種周期排列的分光裝置分割投影物鏡待 測(cè)波前的檢測(cè)方法，利用分光后的干設(shè)圖樣獲得被測(cè)物鏡的波像差信息；專利文件 US7956987公開(kāi)了一種包含偏振控制器和多種波前分割器的檢測(cè)裝置，測(cè)量分劃板有小孔 和狹縫兩種，波前分割器有正交衍射光柵、兩片正交排布的光柵W及半透半反基底多種形 式。但運(yùn)一系列干設(shè)分光結(jié)構(gòu)的光能利用率較低，且對(duì)于實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求很高。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 為了波前測(cè)量高分辨率，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，本實(shí)用新型提出動(dòng)態(tài)高分辨波前率測(cè) 量裝置及方法。
[0006] 本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是：
[0007] -種動(dòng)態(tài)高分辨率波前測(cè)量裝置，包括衍射光學(xué)元件和光強(qiáng)傳感器，其特別之處 在于:衍射光學(xué)元件和光強(qiáng)傳感器的中屯、軸重合，所述衍射光學(xué)元件為二維正交排布的多 個(gè)微結(jié)構(gòu)元件，所述微結(jié)構(gòu)元件包括兩類結(jié)構(gòu)，其中奇數(shù)行奇數(shù)列與偶數(shù)行偶數(shù)列微結(jié)構(gòu) 元件的結(jié)構(gòu)相同，奇數(shù)行偶數(shù)列與偶數(shù)行奇數(shù)列微結(jié)構(gòu)元件的的結(jié)構(gòu)相同。
[0008] 上述的微結(jié)構(gòu)元件為兩種焦距不同的菲涅爾透鏡。
[0009] 為了使光強(qiáng)傳感器能夠探測(cè)到經(jīng)過(guò)雙周期衍射光學(xué)元件的波前振幅分布，上述光 強(qiáng)傳感器的響應(yīng)波長(zhǎng)包含衍射光學(xué)元件的工作波長(zhǎng)入。
[0010] 為了使得經(jīng)過(guò)雙周期衍射光學(xué)元件的波前完全被光強(qiáng)傳感器探測(cè)，上述衍射光學(xué) 元件的孔徑尺寸小于等于光強(qiáng)傳感器的孔徑尺寸。
[0011] -種動(dòng)態(tài)高分辨率波前測(cè)量的方法，包括W下步驟：
[0012] 步驟一:設(shè)I〇i(u，v)和I〇2(u，v)為光強(qiáng)傳感器獲取被測(cè)波前通過(guò)衍射光學(xué)元件中 不同微結(jié)構(gòu)元件后的光強(qiáng)分布;利用相鄰子孔徑之間的插值運(yùn)算得到覆蓋光強(qiáng)傳感器全部 采樣面的兩個(gè)光強(qiáng)分布Il(U,V)和l2(U,V);
[0013] 步驟二:設(shè)化(i)(u，v)和化(i)(u，v)為光強(qiáng)傳感器獲取被測(cè)波前通過(guò)衍射光學(xué)元件 中不同微結(jié)構(gòu)元件后的光場(chǎng)分布;被測(cè)波前光場(chǎng)分布表示為U〇(x，y)=A(x，y)exp[j23iA?0 (x,y)]；
[0014]評(píng)估被測(cè)波前的初始相位分布為〇i(i)(u，v);根據(jù)光強(qiáng)分布Ii(u，v)= |Ai(u，v) I2和評(píng)估的初始相位分布^1(1)(11，￥)得到1]1(1)(11，￥)=41(11，￥)6邱。'化/^(1)1(1)(11，￥)];式中1 為迭代次數(shù);A為衍射光學(xué)元件的工作波長(zhǎng)；
[0015] 步驟設(shè)Ti(x，y)和T2(x，y)為衍射光學(xué)元件全部采樣區(qū)域根據(jù)不同微結(jié)構(gòu)元件 得到的透過(guò)率函數(shù);逆光軸方向的兩個(gè)透過(guò)率函數(shù)表示為T'i(x，y)和T'2(x，y)，根據(jù)T'i(x， y)和步驟二得到的Ui(I) (u，v)進(jìn)行逆向光場(chǎng)傳輸計(jì)算，得到被測(cè)波前近場(chǎng)光場(chǎng)分布
其中F表 示傅里葉變換，r嗦示傅里葉逆變換，fu和fv表示遠(yuǎn)場(chǎng)空間頻率，j為虛數(shù)，k為波數(shù)，f表示 衍射元件距離光強(qiáng)傳感器的距離；
[0016] 步驟四：根據(jù)T2(x，y)和步驟=得到的Uo(I)U,y)進(jìn)行正向光場(chǎng)傳輸計(jì)算，得到
.其中fx和fy表示近 場(chǎng)空間頻率，計(jì)算誤差函數(shù)；
[0017]
[0018] 步驟五:改變初始相位分布(61(1+1)(11, V)，重復(fù)步驟二、步驟=和步驟四，直到誤差 函數(shù)接近0，停止計(jì)算，得到被測(cè)波前的近場(chǎng)光場(chǎng)分布Uo (x，y)=A(x，y)exp[j 231A巫0 (X， y)]。
[0019] 光強(qiáng)傳感器獲取被測(cè)波前在遠(yuǎn)場(chǎng)的光強(qiáng)分布，按照雙周期衍射光學(xué)元件兩種周期 對(duì)應(yīng)的口徑將光強(qiáng)分布分為兩個(gè)不同光強(qiáng)分布，利用相鄰子孔徑之間的插值運(yùn)算得到覆蓋 光強(qiáng)傳感器全部采樣面的均勻間隔兩個(gè)光強(qiáng)分布;利用相位恢復(fù)算法根據(jù)兩個(gè)光強(qiáng)分布恢 復(fù)出被測(cè)波前的振幅分布和相位分布。
[0020] 本實(shí)用新型的有益效果是：
[0021] 1、本實(shí)用新型通過(guò)在一個(gè)全息片上設(shè)計(jì)兩種周期結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)激光束光場(chǎng)的動(dòng) 態(tài)測(cè)量，同時(shí)省去了系統(tǒng)標(biāo)定的過(guò)程，通過(guò)使用相位恢復(fù)算法提高了波前的重構(gòu)精度；
[0022] 2、本實(shí)用新型中菲涅爾透鏡周期排布，采用相位補(bǔ)償?shù)姆椒?，減小或增加奇數(shù)波 帶的厚度，使光通過(guò)偶數(shù)波帶相對(duì)于奇數(shù)波帶產(chǎn)生n的相位變化，運(yùn)樣通過(guò)偶數(shù)波帶的光 和奇數(shù)波帶的光在主焦點(diǎn)相位相同，相互加強(qiáng)，本方法光能利用率更高。
【附圖說(shuō)明】

[0023] 圖1本實(shí)用新型動(dòng)態(tài)高分辨波前率測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0024] 圖2本實(shí)用新型衍射光學(xué)元件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖3本實(shí)用新型光強(qiáng)分布填充示意圖。
[00%]圖中附圖標(biāo)記為:101-被測(cè)波前；102-衍射光學(xué)元件;103-光強(qiáng)傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0027] W下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的描述。
[0028] 如圖1所示，本實(shí)用新型動(dòng)態(tài)高分辨率波前測(cè)量裝置，包含衍射光學(xué)元件102和光強(qiáng) 傳感器103,衍射光學(xué)元件102和光強(qiáng)傳感器103的中屯、軸重合，集成在一起，間距為1。光強(qiáng)傳 感器103的響應(yīng)波長(zhǎng)包含衍射光學(xué)元件102的工作波長(zhǎng)、使光強(qiáng)傳感器103能夠探測(cè)到經(jīng)過(guò)雙周 期衍射光學(xué)元件102的波前振幅分布。衍射光學(xué)元件102的孔徑尺寸小于等于光強(qiáng)傳感器103 的孔徑尺寸，使得經(jīng)過(guò)雙周期衍射光學(xué)元件102的波前完全被光強(qiáng)傳感器103探測(cè)。如圖2所 示，衍射光學(xué)元件102為二維正交排布的周期微結(jié)構(gòu)元件，微結(jié)構(gòu)元件的口徑d為矩形，同時(shí)存在 兩種周期結(jié)構(gòu)，運(yùn)兩個(gè)周期結(jié)構(gòu)為兩個(gè)焦距不同的菲涅爾透鏡的形式，其中奇數(shù)行奇數(shù)列與偶 數(shù)行偶數(shù)列的結(jié)構(gòu)相同，透過(guò)率函數(shù)表示為
焦距 為。，4 = 2^//，奇數(shù)行偶數(shù)列與偶數(shù)行奇數(shù)列的結(jié)構(gòu)相同，透過(guò)率函數(shù)表示為
焦距為f2。采用相位補(bǔ)償?shù)姆椒?，減小或增加奇 數(shù)波帶的厚度，使光通過(guò)偶數(shù)波帶相對(duì)于奇數(shù)波帶產(chǎn)生n的相位變化，運(yùn)樣通過(guò)偶數(shù)波帶的 光和奇數(shù)波帶的光在主焦點(diǎn)相位相同，相互加強(qiáng)，本方法光能利用率更高。菲涅爾透鏡所有 衍射級(jí)次沿光軸分布，因此其他級(jí)次不影響相鄰孔徑內(nèi)的光場(chǎng)分布。可通過(guò)在玻璃表面刻 蝕或者薄膜沉積的方法形成浮雕型結(jié)構(gòu)，構(gòu)成二元相位菲涅爾透鏡。
[0029] 光強(qiáng)傳感器103獲取被測(cè)波前101通過(guò)衍射光學(xué)元件102后的光強(qiáng)分布為Ku, V)， 采樣數(shù)為nXn。按照衍射光學(xué)元件102兩種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的口徑將I(u，v)分為I〇i(u，v)和I〇2(u， V)，采樣數(shù)均為n/2 X n/2。
[0030] 如圖3所示，Ioi(u，v)中子孔徑5的光強(qiáng)信息缺失，根據(jù)其相鄰1~4個(gè)子孔徑中的光 強(qiáng)分布利用=次樣條插值運(yùn)算估計(jì)子孔徑5的光強(qiáng)分布，其他缺失子孔徑的光強(qiáng)信息也按 照本方法獲取。若缺失的子孔徑位于衍射光學(xué)元件采樣陣列的邊緣，則根據(jù)相鄰3個(gè)子孔徑 的光強(qiáng)信息進(jìn)行估計(jì);若缺失的子孔徑位于采樣陣列的邊角，則根據(jù)相鄰2個(gè)子孔徑的光強(qiáng) 信息進(jìn)行估計(jì)。得到覆蓋光強(qiáng)傳感器全部采樣面的均勻間隔光強(qiáng)分布Ii(u，v)，采樣數(shù)為n Xn J〇2(u，v)中缺失的光強(qiáng)信息也按照此方法進(jìn)行估計(jì)，得到覆蓋光強(qiáng)傳感器全部采樣面 的均勻間隔光強(qiáng)分布l2(u，v)，采樣數(shù)為nXn;利用梯度相位恢復(fù)算法根據(jù)兩個(gè)光強(qiáng)分布Ii (u，v)和I2(u，v)恢復(fù)出被測(cè)波前101的振幅分布A(x，y)和相位分布(6o(x，y)。
[0031 ]具體的恢復(fù)算法過(guò)程如下：
[0032] 步驟一，衍射光學(xué)元件10 2全部采樣區(qū)域用兩種透過(guò)率函數(shù)表示TiU, y )和T2(x，y)，分別是兩類單元透過(guò)率函數(shù)ti(x，y)和t2(x，y)做周期運(yùn)算
得到； 其中m為子孔徑的行數(shù)，n為子孔徑的列數(shù)。
[0033] 逆光軸方向的兩個(gè)透過(guò)率函數(shù)表示為T'i(x，y)和T'2(x，y)。被測(cè)波前101光場(chǎng)分布 表示為扣(義,7)=4^,7)6邱[扣31/入00(義,7)]。
[0034] 根據(jù)光強(qiáng)分布11(11，乂）=|心(11，乂）|2和估計(jì)的初始相位分布〇1(1)(11，乂）。為迭代 次數(shù)），得到光強(qiáng)傳感器103的衍射光學(xué)元件102第一種透過(guò)率函數(shù)下的光場(chǎng)分布化w(u，v) =Ai(u,v)exp[ j化A0i(i)(u,v)];
[0035] 步驟二，根據(jù)光強(qiáng)傳感器103的第一種光場(chǎng)分布Ui(I) (u，v)和T'I (X， y )進(jìn)行逆向光場(chǎng)傳輸計(jì)算，得到被測(cè)波前10 1近場(chǎng)光場(chǎng)分布UD<u(x，y);
其中F表示傅里葉變 換，戶表示傅里葉逆變換，f U和f V表示遠(yuǎn)場(chǎng)空間頻率；
[0036] 步驟=，根據(jù)被測(cè)波前101近場(chǎng)光場(chǎng)分布Ue(I)U, y)和衍射光學(xué)元件102第二種透 過(guò)率函數(shù)T2(x，y)進(jìn)行正向光場(chǎng)傳輸計(jì)算，得到光強(qiáng)傳感器103的另一種光場(chǎng)分布，
，其中fx和fy表示近 場(chǎng)空間頻率，計(jì)算誤差函數(shù)；
[0037]
[0038] 步驟四，略微改變初始相位分布〇i(i+i)(u，v)，重復(fù)步驟二、=，得到誤差函數(shù) S(i+i);
[0039] 重復(fù)上述計(jì)算步驟，直到誤差函數(shù)接近0,停止計(jì)算，得到被測(cè)波前101的近場(chǎng)光場(chǎng) 分布U〇(x，y)=A(x，y)exp[j化A00(x，y)]。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種動(dòng)態(tài)高分辨率波前測(cè)量裝置，包括衍射光學(xué)元件和光強(qiáng)傳感器，其特征在于:衍 射光學(xué)元件和光強(qiáng)傳感器的中心軸重合，所述衍射光學(xué)元件為二維正交排布的多個(gè)微結(jié)構(gòu) 元件，其中奇數(shù)行奇數(shù)列與偶數(shù)行偶數(shù)列的微結(jié)構(gòu)元件的結(jié)構(gòu)相同，奇數(shù)行偶數(shù)列與偶數(shù) 行奇數(shù)列的微結(jié)構(gòu)元件的結(jié)構(gòu)相同。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)高分辨率波前測(cè)量裝置，其特征在于:所述的微結(jié)構(gòu)元件 為兩種焦距不同的菲涅爾透鏡。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)高分辨率波前測(cè)量裝置，其特征在于:光強(qiáng)傳感器的響應(yīng) 波長(zhǎng)包含衍射光學(xué)元件的工作波長(zhǎng)λ。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)高分辨率波前測(cè)量裝置，其特征在于:衍射光學(xué)元件的孔 徑尺寸小于等于光強(qiáng)傳感器的孔徑尺寸。
【文檔編號(hào)】G01J9/00GK205719273SQ201620354319
【公開(kāi)日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年4月25日
【發(fā)明人】李晶, 段亞軒, 陳永權(quán), 趙建科, 劉尚闊, 薛勛
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所