[发明专利]数字相移点衍射干涉仪及光学系统波像差测量方法

摘要

一种数字相移点衍射干涉仪及光学系统波像差测量方法，该干涉仪由光源、小孔掩模、第一空间光调制器、第二空间光调制器、二维光电探测器及计算机组成，通过计算机将第一空间光调制器设置为光栅，作为分光器件，将第二空间光调制器设置为针孔窗口掩模，作为滤波器件，滤除除0级与+1(或‑1)级以外的衍射级次，使0级光通过针孔发生衍射产生准理想球面波作为参考光波，+1(或‑1)级光通过窗口作为物光波，两者发生干涉，获取干涉图，从干涉图中提取待测光学系统波像差。本发明物光和参考光在像面汇聚点之间的距离可调，在不降低干涉条纹对比度的情况下实现较大的干涉条纹密度。

主权项

1.利用数字相移点衍射干涉仪对光学系统进行波像差测量的方法，该干涉仪包括光源(1)，沿该光源(1)输出光束方向依次是小孔掩模(2)、第一空间光调制器(3)、第二空间光调制器(6)和二维光电探测器(8)，该二维光电探测器(8)的输出端与计算机(9)的输入端相连；所述的第一空间光调制器(3)和第二空间光调制器(6)分别置于第一XYZ三维位移台(4)和第二XYZ三维位移台(7)上；所述的第一空间光调制器(3)和第二空间光调制器(6)的输入端分别与计算机(9)的输出端相连；所述的小孔掩模(2)是一块方形的遮光板，在该遮光板的中心有一个透光的小孔(21)，该透光小孔(21)的直径小于待测光学系统(5)的物方分辨率；所述的第一空间光调制器(3)为透射式空间光调制器，受计算机(9)控制产生数字光栅，作为分光器件，将待测波前衍射为多级衍射光，第一空间光调制器(3)的光栅线条沿x方向或者y方向，包含透光部分(31)和不透光部分(32)；所述的第二空间光调制器(6)为透射式空间光调制器，受计算机(9)控制产生数字针孔窗口掩模，作为滤波器件，将除0级与+1或-1级外的衍射光滤除，0级光透过小孔发生衍射产生球面波作为参考光，+1或-1级光通过窗口作为物光，掩模包含透光小孔(61)和透光窗口(62)，掩模其他部分设置为不透光；所述的二维光电传感器(8)是CCD、CMOS或二维光电探测器阵列，其特征在于，该方法包含以下步骤：1)计算干涉仪系统的参数：设定干涉条纹数N，一般在20～100之间取值，根据采用的第一空间光调制器(3)的像素大小，设定光栅周期p，光栅周期p为第一空间光调制器(3)像素宽度的整数倍，在设定的干涉条纹数N及光栅周期p的条件下，由所述的光源(1)的波长λ及待测光学系统(5)的物方数值孔径NAO，根据式d＝N×p/(2NAO)计算第一空间光调制器(3)与小孔掩模(2)之间的距离d；由设定的干涉条纹数N和待测光学系统(5)的像方数值孔径NAI由下式x1＝N×λ/2NAI计算1级衍射光在像面汇聚点的位置x1；根据拟采用的相移算法及相移步数n及每一步的相移量计算每一步所述的第一空间光调制器(3)的数字光栅需要移动的距离Δp，计算公式为为相移量；2)搭建干涉仪的测量系统：将待测光学系统(5)置于第一空间光调制器(3)和第二空间光调制器(6)之间，调整待测光学系统(5)使小孔掩模(2)处于待测光学系统(5)的物面，使小孔掩模(2)的透光小孔(21)的中心位于数字相移点衍射干涉仪的光轴上，调整第二空间光调制器(6)的位移台(7)，使第二空间光调制器(6)的表面垂直于光轴，并处于待测光学系统(5)的物面，调整第一空间光调制器(3)的位移台，使第一空间光调制器(3)的表面垂直于光轴且与物面小孔掩模(2)之间的距离为所述的d；3)进行光学系统波像差测量：计算机(9)将第一空间光调制器(3)设置为光栅，光栅线条方向沿y方向，光栅周期设置为设定值p；计算机(9)将处于像面的第二空间光调制器(6)设置为针孔窗口掩模，使所述的针孔(61)的中心位置位于光轴上，该针孔(61)的宽度小于待测光学系统(5)的像方分辨率，所述的窗口(62)的中心在像面二维坐标系中的位置为(x1,0)，所述的针孔窗口掩模的透光部分振幅透过率设置为1，其他部分振幅透过率设置为0；开启光源(1)，由光电探测器(8)探测干涉光强信号Ix1，该Ix1传入计算机(9)保存；计算机(9)控制第一空间光调制器(3)光栅，使其沿+x或-x方向平移，平移量为所述的Δp，由光电探测器(8)探测干涉光强信号Ix2，并将Ix2传入计算机(9)保存；共重复n次，n为相移算法的相移步数，最终计算机(9)保存n幅干涉光强信号Ix1、Ix2、…、Ixn；采用n步相移算法，由计算机(9)存储的n幅干涉图计算出相位，并进行解包裹、消除几何光程差的处理，获得待测光学系统(5)的波像差。