[发明专利]一种高分辨率的近场波前测量装置和测量方法

说明书

一种高分辨率的近场波前测量装置和测量方法，装置包括由衍射物体和CCD探测器构成的探测器组件、供探测器组件放置的二维电动平移台以及计算机，所述的衍射物体和CCD探测器通过套筒固定连接，且衍射物体与CCD探测器的靶面平行；所述的计算机分别与所述的CCD探测器及二维电动平移台相连，进行仪器控制及数据存储。本发明在不增加扫描记录过程的情况下提高了测量分辨率，避免了CCD像素数对测量分辨率的限制，降低了对探测器的要求，而且空间范围受限的衍射物体还可以增加迭代计算的收敛速度和精度。本发明装置结构简单，对环境稳定性要求低，易于实现，待测近场波前的中高频信息能够得到有效重建。

技术领域

本发明涉激光光束波前及光学元件波前测量领域，特别是一种高分辨率的近场波前测量装置和测量方法。

背景技术

作为一种新兴的相干衍射成像技术，Ptychographic Iterative Engine(PIE)被广泛应用于X射线和电子束显微成像、生物医学成像等领域。PIE利用照明光阵列扫描待测样品并保证相邻位置间有一定比例的重叠照明面积，同时记录各个位置的衍射光斑，通过迭代的计算方式重建出所扫描样品的振幅和相位信息。PIE本是对扫描样品成像，在2009年extended-PIE(ePIE)算法被提出后，照射到待测样品表面的入射光的振幅和相位信息也可以同时被重建，因此将其改进用于照明光的波前测量。基于ePIE的测量技术由于不需要参考光束、结构简单且对环境稳定性要求低，在光束质量测量、光学元件检测等领域得到成功应用并取得一系列研究成果。

在采用ePIE技术通过照明光重建对光束质量及光学元件等近场波前进行测量时，由于被测信息包含在照明光复振幅中，虽然对物体进行多次移动扫描，但在记录的每幅衍射光斑中，照明光复振幅都作为整体参与计算重建，因此最终获得的近场波前的横向分辨率会受到所用CCD像素数的限制，并不会随物体扫描次数的增加而增加。尤其在对高功率激光驱动器、天文望远镜等高技术光学装备中的大口径光学元件进行测量时，如发明专利201310382709.8《透射型大口径元件相位测量方法》提出的测量方法，受现有CCD像素数的限制，其具有严格要求的中高频信息难以获取。2018年S.Mcdermott等提出了在近场移动待测样品的方法(参见S.McDermott,A.Maiden.Near-field ptychographic microscope forquantitative phase imaging[J].Optics Express,2018,26(19):25471-25480)，该方法虽然可以用于光学元件的测量，提升横向分辨率，但元件尺寸较大则不便进行扫描移动，因此该方法并不适用于大口径元件的测量，也无法用于光束质量检测时分辨率的提升。为此，我们提出一种高分辨率的近场波前测量装置及方法，该方法适用于激光光束波前及光学元件波前的测量。

发明内容

本发明针对上述现有技术在近场波前测量中的问题及高空间分辨率波前测量的需求，提出一种高分辨率的近场波前测量装置和测量方法。该装置将一空间受限的衍射物体与探测器集成在一起，并移动此探测器组件进行波前分割扫描且保证相邻两个扫描位置所对应的波前之间存在重叠，同时记录其形成的一系列衍射光斑，然后由计算机进行迭代计算实现近场波前重建。本发明具有结构简单、对环境稳定性要求低和测量分辨率高的特点，且其横向分辨率不受限于探测器。该测量方法可用于稳定光束的波前测量和光学元件的检测，尤其是大口径光学元件的中高频波面误差检测。

本发明的技术解决方案如下：

一种高分辨率的近场波前测量装置，其特点在于，包括由衍射物体和CCD探测器构成的探测器组件、供探测器组件放置的二维电动平移台以及计算机，所述的衍射物体和CCD探测器通过套筒固定连接，且衍射物体与CCD探测器的靶面平行；所述的计算机分别与所述的CCD探测器及二维电动平移台相连，进行仪器控制及数据存储。

所述的衍射物体一定空间范围S内具有衍射能力，其余范围不透光，所述的衍射物体与CCD探测器靶面之间的距离为Z，使经过衍射物体后的衍射光斑直径与CCD探测器靶面的直径相当。