[发明专利]一种基于菲涅尔波带片衍射信息融合的相位恢复检测装置及相位恢复方法

说明书

本发明公开一种基于菲涅尔波带片衍射信息融合的相位恢复检测装置及相位恢复方法，装置包括沿光路方向依次设置的激光器、衰减镜、显微物镜、小孔滤波器、准直物镜、待测元件、菲涅尔波带片、图像采集装置。该装置使用菲涅尔波带片代替传统透镜作为光束会聚元件，利用菲涅尔波带片多焦点特性，使采集的衍射光斑中包含更多的衍射信息量。该方法使用由菲涅尔波带片调制的衍射光强分布进行恢复，能够实现对待测波前更宽频段的重建。该装置简单，无需改变离焦位置即可实现宽频段衍射信息的采集，并且方法具有更高的算法收敛速度和波前重建精度，在检测宽频段大波前误差时精度高。

技术领域

本发明涉及光学检测的技术领域，尤其涉及一种基于菲涅尔波带片衍射信息融合的相位恢复检测装置及相位恢复方法。

背景技术

各种高精度、高质量的光学元件被广泛应用于大型激光器、空间望远镜等现代大型光学系统中。在实际使用过程中，为适应系统高功率、高能量的使用需求，光学元件本身需要具备更好的面形质量。面形质量决定了光学系统的使用性能。现代光学加工方法在加工光学元件时，会导致元件表面残留不同频率的加工误差。根据其空间频率可大致划分为低频、中频和高频误差。低频误差主要以各种像差的形式呈现，中频误差会引入焦斑旁瓣，而高频误差会导致激光散射。元件本身的面形误差可以认为是互不相关的这三种误差的叠加而成，由此产生的面形误差严重影响了强激光光束会聚质量。

为了能够更好地约束并控制元件表面加工误差，对面形的检测至关重要。传统的波前检测方法如干涉检测法、坐标检测法、哈特曼波前传感器法等在实际使用中依然存在一些不足。干涉法检测精度高、测量重复性好，但是检测装置较为复杂，对检测环境有较高要求。而坐标检测法和哈特曼传感器法较难实现高精度的波前重建。近年来，相位恢复作为一种基于计算成像的波前检测手段，得到了广泛的研究。相位恢复通过衍射光强信息逆求解原始波前分布，且实验装置简单，抗环境干扰能力强。然而传统的相位恢复方法一般使用具有单焦点的普通透镜作为会聚元件，并在单一位置采集光强图用于波前计算重建。相关研究表明，相位恢复重建的波前集中分布的频段与离焦距离密切相关，不同空间频率的波前误差存在最佳的光强采集位置。因此使用这一传统方法由图像传感器得到的光强图所包含的信息量有限，最终能够恢复得到的波前频段只能较为集中在某一特定频段。故这一传统相位恢复方法无法实现宽频段的波前重建。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于菲涅尔波带片衍射信息融合的相位恢复检测装置及相位恢复方法，以缓解传统相位恢复方法在波前重建过程中存在恢复频段较窄的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于菲涅尔波带片衍射信息融合的相位恢复检测装置，其特征在于，该装置包括沿光路方向依次设置的激光器、衰减镜、显微物镜、小孔滤波器、准直透镜、待测元件、菲涅尔波带片、图像采集装置，所述激光器与所述衰减镜平行设置，所述显微物镜位于所述衰减镜之后，所述小孔位于所述显微物镜之后且位于所述显微物镜的会聚焦点处，所述准直透镜位于所述小孔滤波器之后，且所述准直透镜的前焦点位于所述小孔滤波器处，所述待测元件位于所述准直透镜之后，所述菲涅尔波带片位于所述待测元件之后，所述图像采集装置位于所述菲涅尔波带片之后且位于所述菲涅尔波带片的某一离焦位置处。

进一步地，所述菲涅尔波带片为相位型菲涅尔波带片。

进一步地，所述图像采集装置为CCD相机。

一种基于菲涅尔波带片衍射信息融合的相位恢复方法，其特征在于，该方法基于上述的检测装置来实现，该方法包括以下步骤：

所述激光器产生激光，所述的激光通过所述衰减镜衰减、所述显微物镜会聚、所述小孔滤波后，经由所述准直透镜准直为平行光入射到所述待测元件上，出射光波入射到所述菲涅尔波带片上会聚，所述图像采集装置在所述菲涅尔波带片的最佳离焦位置处采集带有复合频段衍射信息的光强图，并使用相位恢复方法进行计算，求解得到待测元件的出射相位，从而获得其面形误差。