[发明专利]高精度大口径光学元件装校面形在线检测装置和方法

权利要求书

1.一种高精度大口径光学元件装校面形在线检测装置，其特征在于：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。

2.根据权利要求1所述的高精度大口径光学元件装校面形在线检测装置，其特征在于，所述的编码板(6)垂直放置于聚焦光束的入射方向，确保激光器(1)、扩束系统(2)、待测光学元件(3)、聚焦透镜(4)、编码板(6)和第一光斑探测器(7)的中心保持在光轴上。

3.根据权利要求1或2所述的高精度大口径光学元件装校面形在线检测装置，其特征在于，所述的编码板(6)的空间分布已知，尺寸大小满足光路中光束全部通过。

4.根据权利要求1或2所述的高精度大口径光学元件装校面形在线检测装置，其特征在于，所述的待测光学元件(3)放置于支撑平台上，采用机械机构固定支撑。

5.一种大口径光学元件装校面形在线检测的方法，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focus_n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exit_n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diff_n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，ψ_n为diff_n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'_n/P；

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，θ_n为Inten_n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r_n+1，半径r_n+1范围以内圆孔孔径大小限制函数S_n+1取值为1，半径r_n+1范围以外S_n+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focus_n+1＝focus”_n*S_n+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error_n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illu_a；

⒃由菲涅尔衍射积分公式，illu_a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＝2π/λ，U(x′,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M_c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U_h＝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M_d的关系为U_h＝2M_dsinα，M_d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，U_h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M_d得到测量面形分布M_p，真实的装校大口径光学元件(3)的在线检测面形分布为M_t＝M_p+M_c。