[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

说明书

本发明公开了基于散斑场相位恢复的复杂光学曲面面形误差检测方法，基于随机振幅掩膜板调制的波前恢复方案设计，采用随机振幅掩膜板对波前信息进行调制，将低空间频率分布的强度图案转化为高空间频率分布的散斑图案，有利于波前重建算法恢复高保真度的波前信息；将被测元件与随机振幅掩膜板由望远成像系统构成物像共轭关系，使得随机振幅掩膜板处的波前相位可以直接映射到元件的波前相位，不需要对随机振幅掩膜板的振幅信息事先进行标定；该方法使其测量精度与光斑采集的位置无关，可以应用于复杂光学曲面面形误差的高精度检测，测量精度的稳定性较高。

技术领域

本发明涉及光学计量技术领域，特别涉及基于散斑场相位恢复的复杂光学曲面面形误差检测方法。

背景技术

将非球面、自由曲面等复杂光学曲面取代传统的球面应用于成像系统，可以起到简化结构、优化像质、降低光能损失以及减少体积和重量的作用。而非球面、自由曲面加工质量的不断提升，是实现现代光学系统优异性能的前提条件。

检测技术作为光学精密加工技术的重要组成部分，是评价光学元件加工精度能否满足要求、为后续加工提供指导依据的唯一手段。对于复杂光学曲面面形误差的检测，主要方法有三坐标轮廓测量法、相位测量偏折术、CGH(计算全息图)干涉检测法、剪切干涉检测法、相位恢复方法等几种，相位恢复方法由于其检测装置简单、受环境影响小的特点而备受关注。

相位恢复方法通过采集包含被测信息的多幅衍射强度图像，采用基于GS(Gerchberg Saxton)或梯度搜索类的迭代优化算法得到被测信息，主要分为子口径拼接强度探测法及轴向多光斑探测法。

子孔径拼接强度探测法在光路中某个波面位置进行子孔径采样获取多幅衍射强度图像，由子孔径拼接重建算法恢复波前信息。该方法能够达到相当高的检测精度，其缺点在于需要进行大量的子孔径测量，以及进行海量的数据计算，检测效率很低。

轴向多光斑探测法在受被测信息调制的会聚光束焦点附近采集多幅衍射光斑，由波前重建算法恢复被测信息。相比子孔径拼接强度探测法，该方法检测效率更高，但缺点在于：光斑采集的位置选择对恢复结果的影响较大，当恢复波前对所选位置的衍射强度不敏感时，可能会导致迭代算法无法获得最优解。因此该方法在测量不同波前时，如果使用相同的轴向采集位置，测量精度的稳定性无法保证。

发明内容

本发明的目的在于，针对基于轴向多光斑探测的相位恢复方法受探测位置的影响较大、无法稳定输出高精度检测结果的问题，提出了本发明的基于散斑场相位恢复的复杂光学曲面面形误差检测方法，对基于轴向多光斑探测的相位恢复方法作了改进，使其测量精度与光斑采集的位置无关，可以应用于复杂光学曲面面形误差的高精度检测。

本发明实施例提供的基于散斑场相位恢复的复杂光学曲面面形误差检测方法，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。

在一个实施例中，将所述步骤S1替换为如下步骤：