[发明专利]可动态测量平面光学元件面形的测量装置及方法

权利要求书

1.可动态测量平面光学元件面形的测量装置，其特征在于：包括激光器(1)、第一分光镜(2)、准直物镜(3)、第二分光镜(4)、衰减板(5)、远场瞄准探测器(6)、小孔(7)、目镜(8)、二元光学器件(9)、探测器(10)和图像数据处理单元；

第一分光镜(2)设置在激光器(1)的输出光路上，准直物镜(3)设置在激光器输出光束经第一分光镜(2)透射后的透射光路上，第二分光镜(4)、衰减板(5)和远场瞄准探测器(6)依次设置在准直物镜(3)出射光束经第一分光镜(2)反射后的反射光路上；小孔(7)、目镜(8)、二元光学器件(9)和探测器(10)依次设置在第一分光镜(2)的出射光束经第二分光镜(4)反射后的反射光路上；

二元光学器件(9)用于调制入射至其上的光场；

远场瞄准探测器(6)用于探测经被测平面光学元件(11)自准反射回的远场焦斑图像；

探测器(10)用于探测二元光学器件(9)调制后的光场图像；

图像数据处理单元用于对远场瞄准探测器(6)获取的远场焦斑图像进行处理，得到被测平面光学元件(11)相对入射至其表面光束之间的方位角和俯仰角；还用于对探测器(10)获取的图像进行处理，得到被测平面光学元件(11)的面形三维信息。

2.根据权利要求1所述的可动态测量平面光学元件面形的测量装置，其特征在于：二元光学器件(9)为二维排布的微透镜阵列；微透镜阵列中所有透镜的孔径和焦距相同。

3.根据权利要求2所述的可动态测量平面光学元件面形的测量装置，其特征在于：二元光学器件(9)为二维排布的平凸透镜阵列；平凸透镜阵列中所有平凸透镜的孔径和焦距相同。

4.根据权利要求3所述的可动态测量平面光学元件面形的测量装置，其特征在于：图像数据处理单元对探测器(10)获取的图像进行处理，得到被测平面光学元件(11)的面形三维信息的具体方法为：

步骤1，计算每个子孔径内的光斑质心相对参考位置x和y方向的偏移Δx，Δy；

步骤2，计算被微透镜阵列(91)分割的子孔径范围内x和y方向的波前的平均斜率：

式中，f为平凸透镜焦距，S_x为x方向的波前的平均斜率，S_y为y方向的波前的平均斜率；

步骤3，将S_x和S_y代入下述有限差分模型中，计算得到待测平面光学元件(11)的面形

式中，N为微透镜阵列行列数，h为微透镜阵列子孔径大小，分别为微透镜阵列中位置为(i,j)的子孔径内x方向和y方向的波前平均斜率。

5.根据权利要求1所述的可动态测量平面光学元件面形的测量装置，其特征在于：二元光学器件(9)为混合调制光栅，用于对入射至其表面的光场进行振幅和相位调制，其透光部分大小是不透光部分大小的2倍，透光部分对入射至其表面的光场按相位0和π进行相位调制；所述相位0和π呈棋盘式交替分布。

6.根据权利要求5所述的可动态测量平面光学元件面形的测量装置，其特征在于：图像数据处理单元对探测器(10)获取的图像进行处理，得到被测平面光学元件(11)的面形三维信息的具体方法为：

步骤1，对获取的干涉图像进行快速傅里叶变换获取频谱图；

步骤2，分别使用频域滤波窗函数提取出正交方向的两个正一级频谱，频域滤波窗函数采用Hamming函数，其满足：

式中：(x₀,y₀)为正一级频谱中心位置坐标，(x,y)为正一级频谱x和y方向的坐标；

步骤3，对提取出的正一级频谱利用逆傅里叶变换计算，得到x，y方向的差分波前和

步骤4，将x，y方向差分波前和代入下述有限差分模型中，计算得到被测平面光学元件(11)的面形

式中，sh为横向剪切量。

7.基于权利要求1-6任一所述的可动态测量平面光学元件面形的测量装置测量平面光学元件面形的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：瞄准

调节测量装置的方位和俯仰，使得被测平面光学元件(11)相对入射至其表面光束之间的方位角θ_Az和俯仰角θ_EL分别小于0.5″，瞄准任务完成；

其中，方位角θ_Az和俯仰角θ_EL按照下述方法获取：

图像数据处理单元对远场瞄准探测器(6)获取的远场焦斑图像进行处理，得到光斑的质心坐标相对靶面中心的偏移量为(Δx_m,Δy_m)，则被测平面光学元件(11)相对入射至其表面光束之间的方位角θ_Az和俯仰角θ_EL分别为：

θ_Az＝Δx_m/(2·f_ob)

θ_EL＝Δy_m/(2·f_ob)

式中，f_ob为准直物镜(3)的焦距；

第二步：测量

图像数据处理单元对探测器(10)获取的图像进行处理，得到被测平面光学元件(11)的面形三维信息。