[发明专利]一种高分辨率的近场波前测量装置和测量方法

权利要求书

1.一种高分辨率的近场波前测量装置，其特征在于，包括由衍射物体(1)和CCD探测器(2)构成的探测器组件(3)、供探测器组件(3)放置的二维电动平移台(4)以及计算机(5)，所述的衍射物体(1)和CCD探测器(2)通过套筒固定连接，且衍射物体(1)与CCD探测器(2)的靶面平行；所述的计算机(5)分别与所述的CCD探测器(2)及二维电动平移台(4)相连，进行仪器控制及数据存储。

2.根据权利要求1所述的高分辨率的近场波前测量装置，其特征在于，所述的衍射物体(1)一定空间范围S内具有衍射能力，其余范围不透光，所述的衍射物体(1)与CCD探测器(2)靶面之间的距离为Z，使经过衍射物体(1)后的衍射光斑直径与CCD探测器(2)靶面的直径相当。

3.根据权利要求2所述的高分辨率的近场波前测量装置，其特征在于，所述的衍射物体(1)的复振幅分布为O(r)，可以提前测出作为已知量以提高迭代收敛速度，也可以作为未知量与待测波前同时重建。

4.根据权利要求1-3任一所述的高分辨率的近场波前测量装置，其特征在于，还包括激光器(6)、空间滤波器(7)、准直透镜(8)和缩束器(9)；待测光学元件(10)置于所述的准直透镜(8)和缩束器(9)之间，所述的衍射物体(1)位于待测光学元件(10)的像面(11)处；

所述的激光器(6)发出相干光依次经空间滤波器(7)和准直透镜(8)后形成平行光束，依次经待测光学元件(10)和缩束器(9)缩束后垂直入射至待测光学元件(10)的像面(11)，被所述的CCD探测器(2)采集。

5.利用权利要求1-3任一所述的高分辨率的近场波前测量装置进行近场波前测量的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)计算机(5)控制二维电动平移台(4)使探测器组件(3)进行M行N列扫描，且扫描步长l小于所述的衍射物体(1)的口径，使相邻两个扫描位置所对应的波前之间存在重叠；

2)当探测器组件(3)位于第m行n列的扫描位置时，所述的CCD探测器(2)记录该位置衍射光斑的强度分布I_m,n，并以a行b列的矩阵形式存储于所述的计算机(5)中，直至扫描完成后，得到一组衍射光斑的强度分布数据I_1,1,I_1,2...I_m,n...I_M,N；

3)计算机(5)根据衍射光斑数据进行迭代处理，实现波前重建。

6.根据权利要求5所述的近场波前测量的方法，其特征在于，所述步骤3)所述的迭代处理，具体步骤如下：

1)给衍射物体(1)面上的照明光提供一个p行q列的随机猜测P₁作为初始值，其中p＝a+(M-1)l，q＝b+(N-1)l；

若衍射物体(1)的复振幅分布O已提前测出，则将其作为已知量带入计算且在下列迭代过程中不进行任何更新；若衍射物体(1)的复振幅分布未提前测出，则给衍射物体(1)提供一个a行b列的随机猜测O₀，并构造相应光阑H限制衍射物体(1)的分布范围，其初始分布为O₁＝O₀×H；

将采集的衍射光斑的强度分布数据按照随机次序带入迭代，当所有衍射光斑都用于一次更新后视为完成一次迭代；

2)从P_k中取出扫描位置R_m,n处照明光分布P_k(r-R_m,n)，其对应于矩阵P_k的第1+(m-1)l到a+(m-1)l行、第1+(n-1)l到b+(n-1)l列，衍射物体(1)后透射波函数为：其中k表示迭代次数；

3)计算CCD探测器(2)处的复振幅分布：其中代表正向传输过程；并对得到的复振幅进行约束，保持其相位不变，用测得的衍射光斑强度的平方根代替其振幅：下标c表示更新后的复振幅分布；

4)将更新后的复振幅反传回衍射物体(1)平面其中表示逆向传输过程，并利用下式对衍射物体(1)和照明光更新：

其中max表示最大值，*代表共轭，α为防止分母为0无意义而自定义的参数，β用于调节更新步长；

然后利用更新后的P′_k(r-R_m,n)替换矩阵P_k的第1+(m-1)l到a+(m-1)l行、第1+(n-1)l到b+(n-1)l列；

5)将更新后的P_k、O′_k(r)作为初始输入，在下一个扫描位置处重复步骤2)-4)，直到所有位置都更新后完成一次迭代；

对迭代误差进行计算：

若E_k小于设定的阈值则停止迭代进入步骤6)，否则返回步骤2)重复上述计算过程；

6)此时更新所得的衍射物体(1)面上的照明光P_k的相位即为待测波前。