[发明专利]基于散斑场相位恢复的复杂光学曲面面形误差检测方法

权利要求书

1.基于散斑场相位恢复的复杂光学曲面面形误差检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于轴向多光斑探测的复杂光学曲面面形误差检测光路，在CCD与分光镜之间沿光轴方向依次设置准直透镜、成像透镜和随机振幅掩膜板，构成以平面为基底的复杂光学曲面检测系统；

S2、将被测元件与所述随机振幅掩膜板由望远成像系统形成物像共轭关系，使得所述随机振幅掩膜板处的波前相位映射到所述被测元件的波前相位；所述望远系统由所述准直透镜和所述成像透镜组成；

S3、经过所述随机振幅掩膜板后的衍射光场强度被所述CCD在沿光轴方向上的多个位置采样，获得多幅散斑图案；

S4、对所述散斑图案采用预设的波前重构算法处理，获得随机振幅掩膜板处的波前；

S5、根据所述随机振幅掩膜板处的波前以及所述物像共轭关系，获得所述被测元件的波前相位，得到所述被测元件的波面误差和面形误差。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述步骤S1替换为如下步骤：

基于轴向多光斑探测的复杂光学曲面面形误差检测光路，在CCD与分光镜之间沿光轴方向依次设置准直透镜、成像透镜和随机振幅掩膜板，并在被测元件与准直透镜之间沿光轴方向增加球面镜头，构成以球面为基底的复杂光学曲面检测系统。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述复杂光学曲面检测系统，具备以下条件：

第一，CCD靶面尺寸需在距离所述随机振幅掩膜板处最远的一个探测平面处完全接收光场强度信息，推导元件面形与标准平面或球面偏差的梯度应满足：

公式(1)中，S₀为元件面形与标准平面或球面偏差的梯度；N为CCD像素单元的个数；d_ξ为像素单元尺寸；D_i为成像面尺寸；L_max为光斑采集平面与所述振幅掩膜板的最远距离；f_o、f_i分别为准直透镜和成像透镜的焦距；

第二，CCD对光场的采样频率不小于光学系统截止频率的两倍，推导得：

公式(2)中，λ为光波波长；

第三，准直透镜和成像透镜完全接收光场信息，尺寸应该满足：

D_co＞4d_oS_o+D_o (3)

公式(3)和(4)中，D_co、D_im分别为准直透镜和成像透镜的直径，d_o为被测元件离准直透镜主面的距离，d_i为随机振幅掩膜板离成像透镜主面的距离，D_o为元件尺寸。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述随机振幅掩膜板的振幅透过率为50％或100％两个值随机变化的矩阵分布。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述随机振幅掩膜板的制作方式为：

在玻璃片基上镀制预设厚度的铬膜；所述预设厚度与光波振幅透过率50％相对应；

采用光刻方式，经掩膜制作、图形曝光、显影、图形刻蚀和光刻胶清除步骤，将设计的随机二元分布图案刻蚀到薄膜上。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

S41、初始化第一探测平面的波前为j为虚数符号；I₁为CCD探测到的波前强度信息；取值为0，表示波前的等相位面为平面；

S42、利用光波衍射的角谱公式计算得到第二探测平面的波前，记为所述波前强度信息被CCD探测到的强度取代，保持相位不变，记为

S43、光波陆续传输到各个探测平面，由衍射传输公式获得各自的波前后，强度信息和相位信息作与步骤S42相同的处理；由最后一个探测平面逆衍射传输至第一探测平面；

S44、计算波前振幅误差，当其小于预先设定的阈值时，进入步骤S45；否则第一探测平面的波前强度信息被CCD探测到的实际强度取代，相位保持不变，跳回到步骤S42继续执行；振幅误差表达为：

公式(5)中，k为探测平面的序号，Q为探测平面总的个数，n为迭代次数，为经过n次迭代后计算获得的第k个探测平面的波前振幅；

S45、由第一探测平面逆衍射传输至随机振幅掩模板处，获得其波前。