[发明专利]大口径光学元件二次曝光相位测量装置及测量方法

权利要求书

1.利用大口径光学元件二次曝光相位测量装置对待测大口径光学元件进行二次曝光的相位测量方法，所述大口径光学元件二次曝光相位测量装置，包括激光器(1)、扩束器(2)、聚焦透镜(4)、随机相位板(5)、二维电动位移台(6)、光斑探测器(7)和计算机(8)；沿所述的激光器(1)发出的相干光方向依次经过所述的扩束器(2)、聚焦透镜(4)、随机相位板(5)和光斑探测器(7)，所述的随机相位板(5)置于所述的二维电动位移台(6)上并垂直于光束的入射方向，该随机相位板(5)位于所述的聚焦透镜(4)的焦点后，在靠近所述的聚焦透镜(4)前设有供待测大口径光学元件(3)放置的机构，所述的光斑探测器(7)输出端与所述的计算机(8)输入端相连，所述的计算机(8)输出端与所述的二维电动位移台(6)控制端相连；其特征在于，该方法包括以下步骤：

①以激光器发出的相干光光束为基准，确定光轴，将随机相位板(5)置于所述的二维电动位移台(6)上，由二维电动位移台(6)控制送入光路中，使随机相位板(5)垂直于光束的入射方向，同时，确保各光学元件与光束垂直且中心保持在光轴上，该随机相位板(5)的相位分布已知，尺寸大小满足光路中光束全部通过；

②用直尺测量聚焦透镜(4)到随机相位板(5)的直线距离L₀，聚焦透镜(4)焦点到随机相位板(5)的直线距离L₁，随机相位板(5)到光斑探测器(7)靶面的直线距离L₂；

③计算机(8)控制所述的二维电动位移台(6)的移动，使随机相位板(5)移动至光路中光束全部通过该随机相位板(5)的位置；

④在聚焦透镜(4)前面没有放置待测大口径光学元件(3)时，用光斑探测器(7)记录第一幅散射光斑；

⑤将待测大口径光学元件(3)置于所述的机构上靠近所述的聚焦透镜(4)并与入射光束垂直，用光斑探测器(7)记录第二幅散射光斑；

⑥光斑探测器(7)记录的光斑强度分布分别输入计算机(8)，由计算机(8)利用光斑数据进行待测大口径光学元件的相位处理。

2.根据权利要求1所述的相位测量方法，其特征在于，所述的步骤⑥，利用计算机(8)对光斑探测器(7)记录的两幅散射光斑，分别迭代计算，迭代过程具体如下：

步骤6.1、给聚焦透镜(4)焦点处光波分布一初始的随机猜测值构造一个光阑，其孔径大小限制函数S₁，初始光阑半径r₁，

当实际光阑半径在初始光阑半径r₁范围以内，则函数S₁取值为1，代表光透过光阑，

当实际光阑半径在初始光阑半径r₁范围以外，则函数S₁取值为0，代表光不能透过光阑，

初始聚焦透镜(4)焦点面上的光波分布为

步骤6.2、第n次传播到随机相位板(5)面上的照明光函数为表示第n次迭代光波focus_n传播距离L₁的过程，n代表第n次迭代；

步骤6.3、在随机相位板(5)面上，随机相位板的分布函数为P,第n次照明光通过随机相位板后的出射波函数为

步骤6.4、第n次光斑探测器(7)靶面上散射光斑的复振幅分布

表示第n次迭代光波exit_n传播距离L₂的过程；

步骤6.5、光斑探测器(7)实际记录的光斑分布为I,复振幅分布diff_n和的误差

步骤6.6、对光斑探测器(7)靶面上的散射光斑的复振幅分布进行更新，即将其振幅更新为光斑探测器(7)实际记录光斑的振幅得到diff'_n，ψ_n为diff_n的相位分布；

步骤6.7、反方向传播diff'_n到随机相位板(5)面上得到

表示第n次迭代光波diff'_n反方向传播距离L₂的过程；

步骤6.8、更新随机相位板(5)面上的照明光函数illu'_n＝exit'_n/P；

步骤6.9、反方向传播illu'_n到聚焦透镜(4)焦点面上得到表示第n次迭代光波illu'_n反方向传播距离L₁的过程；

步骤6.10、增大光阑半径为r_n+1，半径r_n+1范围以内光阑孔径大小限制函数S_n+1取值为1，半径r_n+1范围以外S_n+1函数取值为0，更新后的聚焦透镜(4)焦点面上的光波分布为focus_n+1＝focus'_n*S_n+1作为第n+1次迭代的初始光波分布；

步骤6.11重复步骤6.2到6.10，直至误差error_n变化非常小甚至不变时，迭代过程停止，此时更新后的随机相位板(5)面上的照明光函数为illu；

步骤6.12、光斑探测器(7)记录的第一幅散射光斑迭代计算获得的照明光函数为illu1，光斑探测器(7)记录的第二幅散射光斑迭代计算获得的照明光函数为illu2；

步骤6.13、由菲涅尔衍射积分公式，illu1和illu2反方向传播到聚焦透镜(4)面上得到光场分布，

$U(x^{\′},y^{\′})=\frac{\exp \left({\mathrm{ikL}}_0\right)}{{\mathrm{i\λL}}_0}\∫\∫illu1(x,y)\exp \[ik\frac{{(x^{\′}-x)}^2+{(y^{\′}-y)}^2}{2L_0}\]dxdy$

$T(x^{\′},y^{\′})=\frac{\exp \left({\mathrm{ikL}}_0\right)}{{\mathrm{i\λL}}_0}\∫\∫illu2(x,y)\exp \[ik\frac{{(x^{\′}-x)}^2+{(y^{\′}-y)}^2}{2L_0}\]dxdy$

其中，λ是激光器(1)发出的相干光波长，k为波矢，k＝2π/λ，U(x′,y′)为没有放置待测大口径光学元件时聚焦透镜(4)面上的光场分布，T(x′,y′)为放置待测大口径光学元件时聚焦透镜(4)面上的光场分布；步骤6.14、计算二次曝光获得的聚焦透镜(4)面上光场分布的相位差U(x′,y′)T*(x′,y′)，其中T*(x′,y′)为T(x′,y′)的共轭函数，即为待测大口径光学元件(3)的相位。