透射型大口徑元件相位測量裝置和測量方法
【專利摘要】一種透射型大口徑光學元件相位測量裝置和測量方法，準平行光經過透鏡后形成的會聚球面波作為照明光，移動隨機相位板，并在相位板后一定距離處用探測器記錄相位板在不同位置時的衍射光斑，通過計算機進行迭代運算的方式獲得相位板的復振幅透過率函數及其表面照明光光場分布，再將照明光的振幅和相位分布逆傳播至透鏡后表面處，求得該處光場分布；將待測光學元件放到透鏡前表面，重復上述過程，求得透鏡后表面光場分布。求出兩次測量結果的相位差，即為待測光學元件的相位。本方案測量尺寸不受探測器尺寸的限制，此外，由于采用的是兩次測量求相位差的方式進行測量，因此對于光路照明光質量的要求大大降低，適用范圍廣泛。
【專利說明】透射型大口徑元件相位測量裝置和測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及透射型元件的相位測量，特別是一種透射型大口徑光學元件的相位測量裝置和測量方法。該裝置簡單，不需要參考光路，對系統穩定性和環境的要求降低。
【背景技術】
[0002]高功率激光系統中，導致波前畸變的原因很多，而光學元件則是最主要的因素之一。大口徑高精度光學元件的加工質量檢測一直是各國高功率激光系統建造的關鍵問題，目前主要使用干涉儀對光學元件進行面型檢測，檢測主要針對元件加工中產生的低頻誤差；使用表面輪廓儀對元件輪廓進行檢測，主要針對高頻誤差。
[0003]與采用干涉技術來實現相位成像的典型代表‘全息’(holography)相對應,在非干涉相位成像領域也存在一個對應的測量方法，叫‘ptychography’。其基本思路在1970年前后由Hoppe等人提出，后經Fienup等人的完善逐步發展起來(參見J.R.Fienup.Phaseretrieval algorithms: a comparison [J]，Appl.0pt.，1982，21 (15): 2758 ?2769)。該方法是用所記錄的物體透射光遠場強度譜，通過頻譜面和物面之間的反復疊代運算，將物面上收斂的計算結果作為物體的實際分布，從而得到物體的相位信息。
[0004]2004 年 John Rodenburg 提出 Ptychographic Iterative Engine (PIE),(參JAL J.Μ.Rodenburg and Η.M.L.Faulkner, A phase retrieval algorithm for shiftingillumination [J], App1.Phys.Lett., 2004, 85 (20): 4795 ?4797)。激光束經過針孔后形成發散光束，固定于平移臺上的樣品一部分被發散光照亮后在樣品后面的一定距離處形成散射斑被并被探測器記錄。移動樣品，記錄一系列的散射斑強度In(x，y)。在再現時先給被測量物體一個任意的初始猜想值，并計算此猜想物體的透射光(照明光和猜想物體的乘積)和其傅立葉變換，進而將此頻譜的振幅用所記錄到的強度的平方根代替而保留其相位不變，再作反變換得到一個新的猜測物體，如此反復將在所有照明位置記錄的頻譜按順進行疊代運算。
[0005]2009 年，Maiden 等提出了 Extended-PIE (ePIE)算法(參見 Andrew M.Maiden andJohn M.Rodenburg, An improved ptychographical phase retrieval algorithm fordiffractive imaging, Ultramicroscopy, 2009, 109:1256 ~ 1262)。ePIE 作為一種改進的PIE算法，在樣品上照明光未知的情況下分別賦予樣品和照明光初始猜測值，在迭代運算過程中對樣品和照明光同時更新，保留PIE算法優勢的基礎上同時恢復照明光和樣品分布。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是在ePIE算法的基礎上，提出一種透射型大口徑元件相位檢測裝置和檢測方法，該裝置通過迭代方式計算隨機相位板復振幅透過率和隨機相位板上照明光的分布，再進一步反推得到待測光學元件處光場分布，光路簡單，測量范圍不受探測器口徑的限制。該裝置和方法可以用于光學元件相位檢測。
[0007]本發明的技術解決方案如下:[0008]一種透射型大口徑元件相位測量裝置，其特點在于:該裝置由相干光源、反射鏡、擴束器、會聚透鏡、隨機相位板、二維電動平移臺、探測器和計算機組成，沿所述的相干光源發出的光方向依次是所述的反射鏡、擴束器、透鏡、隨機相位板和探測器，所述的隨機相位板置于所述的二維電動平移臺上并垂直于光束的入射方向，在靠近所述的會聚透鏡前設有待測光學元件的插口或置放臺，所述的探測器輸出端與所述的計算機的輸入端相連，所述的計算機的輸出端與所述的二維電動平移臺的控制端相連。
[0009]利用上述透射型大口徑光學元件相位檢測裝置對光學元件相位進行測量，包括下列步驟:
[0010]①將待測光學元件置于所述的插口或置放臺上靠近所述的會聚透鏡并與入射光束垂直，所述的隨機相位板置于所述的二維電動平移臺上并垂直于光束的入射方向，測量隨機相位板到透鏡焦點的距離為Ztl,隨機相位板到所述的探測器的距離Z1,待測光學元件到隨機相位板的距離Z2 ；
[0011]②所述的計算機(9)控制所述的二維電動平移臺使所述的隨機相位板在垂直于光束傳播方向的平面內進行逐行逐列掃描，步長為1，相鄰兩個掃描位置處透光部分必須有重疊，重疊面積最好為光斑的三分之二，隨機相位板(6)的移動的位置由P行q列的矩陣表示，在掃描過程中，當所述的隨機相位板(6)處于i行j列時，所述的探測器記錄衍射光斑的光強分布為Iu，其中i為I~P的正整數，j為I~q的正整數，P，q分別表示隨機相位板掃描矩陣的總行數和總列數，Iu以m行η列矩陣形式存儲在計算機中，掃描后的光斑全部記錄完成后，得到一組光斑數據I1,1; I1,2)...Ii, j,..Ip,q ;
[0012]③隨機相位板在計算機的控制下回到初始位置，取下待測元件，其他參數不變，重復之前的步驟，記錄一組新的光斑數據K1,1; Κ1；2,...Ki； j,..Kp；q ；
[0013]④利用光斑數據進行相位處理的步驟:
[0014]計算機首先對隨機相位板復振幅，包括振幅透過率和相位改變量提供一個隨機的猜測值obj_guess作為初始值:
[0015]ob j_guess=E*exp (i*rand (a, b) *2 π )，
[0016]其中:E為振幅，rand (a, b)為產生a行b列的隨機矩陣，a = m+(p_l)*l, b =n+(q_l)*l,其中m、n分別為光斑矩陣的行、列，p、q分別分別為掃描矩陣的行、列，I為掃描步長；對隨機相位板上的照明光illu提供一個猜測值illu_guess:
「 2π I—；--?
[0017]Hlu—guess = E2* exp —i * ——* + r(m, n)2 * hole(m, n),
^A_
[0018]其中:E2為振幅，r(m，n)為m行n列矩陣，表示隨機相位板平面上每個點距離光軸的距離，hole(m, η)為一圓孔，限制隨機相位板上照明光的范圍，其中m、η分別為光斑矩陣的行、列；
[0019]隨機相位板復振幅、隨機相位板上照明光復振幅及待測元件相位求解步驟為:
[0020](a)計算隨機相位板在掃 描位置(i，j)處被照明后光斑分布(i=l，2，…p，j=l, 2...q):
[0021]此時隨機相位板復振幅的值為obj
IOX (1-l)+j， 隨機相位板上照明光為iIIultix(i_1)+j.(i=l, j=l 時 Obj1 = obj_guess, Illu1 = illu_guess),首先取 obj10X(i_1)+j 的 l+(i_l)*l 行到 m+(1-l)*l 行，l+(j-l)*l 列到 n+(j-l)*l 列，記為 Obji,Obji,」乘上照明光 iIIultix (i_1)+J.就是隨機相位板出射波函數Uiij ;根據角譜理論計算距離相位板Z1的探測器(8)處的復振幅分布為Ei;j:
【權利要求】
1.一種透射型大口徑元件相位測量裝置，其特征在于:該裝置由相干光源(I)、反射鏡(2)、擴束器(3)、會聚透鏡(5)、隨機相位板(6)、二維電動平移臺(7)、探測器(8)和計算機(9)組成，沿所述的相干光源(I)發出的光方向依次是所述的反射鏡(2)、擴束器(3)、透鏡(5)、隨機相位板(6)和探測器(8)，所述的隨機相位板(6)置于所述的二維電動平移臺(7)上并垂直于光束的入射方向，在靠近所述的會聚透鏡(5)前設有待測光學元件(4)的插口或置放臺，所述的探測器⑶輸出端與所述的計算機(9)的輸入端相連，所述的計算機(9)的輸出端與所述的二維電動平移臺(7)的控制端相連。
2.利用權利要求1所述的透射型大口徑元件相位測量裝置對待測光學元件相位的測量方法，其特征在于該方法包括下列步驟: ①將待測光學元件(4)置于所述的插口或置放臺上靠近所述的會聚透鏡(5)并與入射光束垂直，所述的隨機相位板(6)置于所述的二維電動平移臺(7)上并垂直于光束的入射方向，測量獲得隨機相位板(6)到透鏡(5)焦點的距離為Ztl，隨機相位板到所述的探測器(8)的距離為Z1,待測光學元件⑷到隨機相位板(6)的距離為Z2 ； ②所述的計算機(9)控制所述的二維電動平移臺(7)使所述的隨機相位板(6)在垂直于光束傳播方向的平面內進行逐行逐列掃描，步長為1，相鄰兩個掃描位置的透光部分必須有重疊，重疊面積最好為光斑的三分之二，隨機相位板(6)的移動的位置由P行q列的矩陣表示，在掃描過程中，當所述的隨機相位板(6)處于i行j列時，所述的探測器⑶記錄衍射光斑的光強分布為Iu，其中i為I~P的正整數，j為I~q的正整數，P, q分別表示隨機相位板(6)掃描矩陣的總行數和總列數，Iu以m行η列矩陣形式存儲在計算機(9)中，掃描后的光斑全部記錄完成 后，得到一組光斑數據I1,P Ιι;2>...IijJ,..Ip,q ; ③隨機相位板(6)在計算機(9)的控制下回到初始位置，取下待測元件，其他參數不變，重復之前的步驟，記錄一組新的光斑數據K1；2,...Ki；j,..Kp；q ； ④利用光斑數據進行相位處理的步驟: 計算機(9)首先對隨機相位板復振幅，包括振幅透過率和相位改變量提供一個隨機的猜測值obj_guess作為初始值:
Oh j_ ^ I! Ci=S.V * ix P ( */ I' O (l'l U ,Ti), 其中:E為振幅，rand (a, b)為產生a行b列的隨機矩陣，a = m+(p_l)*l, b =n+(q_l)*l,其中m、n分別為光斑矩陣的行、列，p、q分別為掃描矩陣的行、列，I為掃描步長；對隨機相位板上的照明光illu提供一個猜測值illu_guess:
「 2π 1-1
il!u—guess = E1* exp -1 * ——* + r(m,n)2 * hole(m, n),
A_ 其中:E2為振幅，r(m，n)為m行n列矩陣，表示隨機相位板平面上每個點距離光軸的距離，hole(m，n)為一圓孔，限制隨機相位板上照明光的范圍，其中m、n分別為光斑矩陣的行、列； 隨機相位板復振幅及隨機相位板上照明光更新步驟為: (a)計算隨機相位板(6)在掃描位置(i，j)處被照明后光斑分布(i=l，2，2...q): 此時隨機相位板復振幅的值為objIOX (1-l)+j， 隨機相位板上照明光為iIIultix(i_1)+j.(i=l, j=l 時 Obj1 = obj_guess, Illu1 = illu_guess),首先取 obj10X(i_1)+j 的 l+(i_l)*l 行到 m+(1-l)*l 行，l+(j-l)*l 列到 n+(j-l)*l 列，記為 Obji,Obji,」乘上照明光 iIIultix (i_1)+J.就是隨機相位板出射波函數Uiij ;根據角譜理論計算距離相位板Z1的探測器(8)處的復振幅分布為Eiij =Eiij = abs (Eiij) exp (i Φ ^j)，保持其相位不變并用所述的衍射場分布Iiij的平方根 Sqrt(IiJ)代替其振幅變為 E' i；J = sqrt (Ii； j) exp (i Φ i；J)； 再根據角譜理論計算E' u逆向傳播回隨機相位板處的出射波函數分布U' u，通過做差求得出射波函數的改變量AUu = U,;分別對隨機相位板復振幅取出來的矩陣Objiij和隨機相位板上照明光illu按下式進行更新，得新的obj' u和illu'IOX (1-l)+j分別為:
【文檔編號】G01M11/00GK103499429SQ201310382709
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年8月28日 優先權日:2013年8月28日
【發明者】王海燕, 劉誠, 潘興臣, 程君, 孫美智, 朱健強 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所