申请/专利权人：中国科学院上海光学精密机械研究所

申请日：2021-12-10

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN114279684B

主分类号：G01M11/02

分类号：G01M11/02;G01B11/24

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2022.04.22#实质审查的生效;2022.04.05#公开

摘要：一种高精度大口径光学元件装校面形在线检测装置和方法，激光器产生的相干光通过扩束系统后产生平行光束照射到装校大口径光学元件上，反射后的光束经过聚焦透镜聚焦后利用分束器将光束分出两束，其中一束照射到一块编码板上，编码板的作用是对入射光场进行调制编码，用一台光斑探测器记录形成的散射斑。另外一束垂直方向光束进入另一台光斑探测器并记录一幅光斑，用于增加信息量从而提高计算检测精度。利用两台光斑探测器记录的光斑强度，采用迭代算法高精度重构出装校大口径光学元件的面型分布。该检测方法无需干涉光路，受环境影响较小，装置结构简单，测量精度高，满足大口径光学元件装校面形在线检测的需求。

主权项：1.一种大口径光学元件装校面形在线检测的方法，采用高精度大口径光学元件装校面形在线检测装置，该装置包括激光器1、扩束系统2、聚焦透镜4、分束镜5、编码板6、第一光斑探测器7、第二光斑探测器8和计算机9；第一光斑探测器7和第二光斑探测器8与计算机9相连；沿所述的激光器1发出的相干光光轴上放置扩束系统2，激光器1产生的激光束通过扩束系统2后照射到待测光学元件3上，经该待测光学元件3全反射后，经聚焦透镜4聚焦后，入射到分束镜5分为反射光束和透射光束，所述反射光束由第二光斑探测器8探索，所述透射光束经聚焦透镜4聚焦形成聚焦光束照射到所述的编码板6上，经该编码板6调制后由所述的第一光斑探测器7接收；其特征在于，该方法包括以下步骤：1相干光光束经扩束系统2扩束后入射到待测光学元件3，经待测光学元件3全反射后入射到聚焦透镜4，经聚焦透镜4聚焦形成聚焦光束，入射到分束镜5，分为反射光束和透射光束，所述的反射光束由第二光斑探测器8接收，记录分出的光束光斑强度，所述的透射光束经编码板6调制后由第一光斑探测器7接收，记录散射光斑；设聚焦透镜4与编码板6的距离L0，所述的聚焦透镜4的焦点到编码板6的距离L1，编码板6到第一光斑探测器7靶面的直线距离L2，分束镜5的反射光束的焦点到第二光斑探测器8靶面的距离L3；2给所述的待测光学元件3施加装校支撑力矩，用第一光斑探测器7和第二光斑探测器8记录在线的光束光斑强度，并输入计算机；3计算机9处理获得大口径光学元件3的装校面形分布，其具体步骤如下：⑴测量参数值：用直尺测量聚焦透镜4与编码板6的距离L0，所述的聚焦透镜4的焦点到编码板6的距离L1，编码板6到第一光斑探测器7靶面的直线距离L2，分束镜5的反射光束的焦点到第二光斑探测器8靶面的距离L3；⑵给聚焦透镜4焦点处光场函数分布一初始的随机猜测值构造一个圆孔限制函数S1，初始半径r1，当光束半径在初始圆孔半径r1范围以内，则函数S1取值为1，代表光透过圆孔，当光束半径在初始圆孔半径r1范围以外，则函数S1取值为0，代表光不能透过圆孔，初始聚焦透镜4焦点面上的光场分布为⑶第n次光场传播到编码板6面上的照明光函数为表示第n次迭代光场focusn传播距离L1，n代表第n次迭代计算；⑷编码板6的分布函数为P,第n次照明光通过编码板6后的出射光场函数为⑸第n次第一光斑探测器7靶面上衍射光斑的复振幅分布为表示第n次迭代计算光场exitn传播距离L2；⑹第一光斑探测器7实际记录的光斑分布为I1,复振幅分布diffn和的误差为⑺对第一光斑探测器7靶面上的衍射光斑的复振幅分布进行更新，即将其振幅更新为第一光斑探测器7实际记录光斑的振幅得到diff'n，ψn为diffn的相位分布；⑻反方向传播diff'n到编码板6面上得到表示第n次迭代计算光场diff'n反方向传播距离L2；⑼更新编码板6面上的照明光函数illu'n＝exit'nP；⑽反方向传播illu'n到聚焦透镜4焦点面上得到⑾传播focus'n到第二光斑探测器8靶面得到⑿第二光斑探测器8实际记录的光斑分布为I2,对第二光斑探测器8靶面上的衍射光斑的复振幅分布进行更新，即将其振幅更新为第二光斑探测器8实际记录光斑的振幅得到Inten'n，θn为Intenn的相位分布；⒀反方向传播Inten'n到聚焦透镜4焦点面上得到⒁增大圆孔半径为rn+1，半径rn+1范围以内圆孔孔径大小限制函数Sn+1取值为1，半径rn+1范围以外Sn+1函数取值为0，更新后的聚焦透镜4焦点面上的光场分布为focusn+1＝focus”n*Sn+1作为第n+1次迭代计算的初始光场分布；⒂重复步骤⑶到⒁，直至误差errorn变化非常小甚至不变时，迭代过程停止，此时更新编码板6，更新后的编码板6面上的照明光函数为illua；⒃由菲涅尔衍射积分公式，illua反方向传播到聚焦透镜4面上得到光场分布，公式如下： 其中，λ是激光器1发出的相干光波长，k为波矢，k＝2πλ，Ux′,y′为聚焦透镜4面上的光场分布；⒄聚焦透镜4面上的光场相位包含了扩束后光束的自身波前、装校大口径光学元件3的面形相位和聚焦透镜4自身的相位，采用一块已知面形为Mc的光学标准元件进行标定，测量得到的聚焦透镜4面上的相位为U0，再换成装校大口径光学元件3，测量聚焦透镜4面上的相位为U1，此时由装校大口径光学元件3引入的相位变化为Uh＝U1-U0；⒅由于装校大口径光学元件3与聚焦透镜4存在45度夹角，实际测试相位数据与待测装校大口径光学元件3面形Md的关系为Uh＝2Mdsinα，Md为待测装校大口径光学元件3的镜面相对于45度夹角镜面的面型高度，Uh为实际测试的获得的光程差相位变化，其中α为45度；因此此时在45度夹角时得到的测量面形数据与真实的镜面面型之间存在缩放关系，通过计算插值展开处理Md得到测量面形分布Mp，真实的装校大口径光学元件3的在线检测面形分布为Mt＝Mp+Mc。

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