專利名稱：星點衍射波面相差的檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)測試儀器研究領(lǐng)域，涉及一種星點衍射波面相差的檢測方法。
背景技術(shù)：
點衍射干涉儀主要用于對光學(xué)元件與光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)波相差的高精度測量。如見 圖1所示，主要工作原理是通過單色光源照明系統(tǒng)1照亮帶有針孔的基板2，入射光波經(jīng)過 基板2上的針孔發(fā)生衍射，產(chǎn)生球面光波。其中一部分作為基準參考光波發(fā)射出，由CCD光 電接收器4接收；另一部分作為測試光波入射到被測試光學(xué)部件3上后返回，經(jīng)基板2表面 反射與基準參考波面發(fā)生干涉，產(chǎn)生干涉圖，從而能夠高精度地測試光學(xué)波面相差。所謂光學(xué)波面相差是指光學(xué)元件或光學(xué)系統(tǒng)實際波面與理想波面的位相誤差。光 學(xué)波面相差可以真實與直觀地表述光學(xué)元件面形或光學(xué)成像系統(tǒng)的質(zhì)量情況。通過對光學(xué) 元件或光學(xué)成像系統(tǒng)波相差的檢測，指導(dǎo)光學(xué)加工與系統(tǒng)安裝、調(diào)試。點衍射干涉儀中的關(guān)鍵部件一針孔起到產(chǎn)生測量基準光學(xué)波面的作用，通過光源 照亮針孔而產(chǎn)生標準衍射球面光波。由于要求針孔直徑極小(一般直徑<0.5 ym)，因此， 加工困難，對其質(zhì)量的檢測也是難點。針孔的圓度、邊緣銳度和厚度等都將影響衍射球面光 波的波面。點衍射干涉儀中的照明光源應(yīng)嚴格對準針孔才可產(chǎn)生無相差球面波；否則，盡管 針孔達到加工要求，也將由于照明對準的誤差引入多種波相差。目前用于對點衍射干涉儀針孔狀態(tài)評估的方法是通過掃描電子顯微鏡觀測，此方 法只能觀測到針孔的幾何尺寸狀態(tài)，無法評估針孔的透光狀態(tài)和光波衍射效果。而點衍射 干涉儀中的照明光源是否對準針孔只能通過干涉圖測試分析獲得，沒有直接判讀方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有干涉儀無法對針孔照明光源照射針孔所產(chǎn)生的衍射波面相差進行 檢測的缺陷，本發(fā)明提供一種星點衍射波面相差的檢測方法，其能夠檢測針孔的質(zhì)量是否 合格，以及檢測照明光源是否能嚴格對準針孔使針孔產(chǎn)生無相差球面波。為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下星點衍射波面相差的檢測方法，包括如下步驟步驟一、將會聚照明光源對準被測試的針孔板上的針孔，使針孔發(fā)出球面衍射光 波；步驟二、利用高倍放大光學(xué)成像系統(tǒng)對步驟一所述針孔發(fā)出的球面衍射光波成 像；步驟三、將CCD光電探測器的靶面調(diào)焦到步驟二所形成的衍射波面圖像上，接收 星點衍射圖像；步驟四、由與(XD光電探測器相連的圖像采集與計算分析系統(tǒng)對步驟三所述的星 點衍射圖像進行采集與計算，該計算過程是設(shè)由CCD光電探測器獲得的星點衍射圖像的灰度值即點擴散函數(shù)值為 PSF(x，y)，由公式 PSF(x，y) = ASF (x, y) X ASF* (x, y) = |ASF(x, y) I2計算得到點衍射振幅分布圖對應(yīng)的點擴散函數(shù)ASF(x，y)；再由公式ASF(x，y)= / / P(x' ,y' )exp[-2Jii(xx' +yy' )]dx' dy'計算得到光瞳波面函數(shù) P(x' ,y')； 最后，由公式P(x'，y' ) = A(x'，y' )exp[ikff(x'，y')]計算得到星點衍射波面相差 信息W(x'，y')，式中，A(x' ,y')為P(x'，y')的振幅部分，在通光孔徑內(nèi)取1，通光 孔徑外為0;k = 2Ji/X，A為會聚照明光源的波長。本發(fā)明的有益效果是該方法能夠檢測針孔的質(zhì)量是否合格，以及檢測照明光源 是否能嚴格對準針孔并使針孔產(chǎn)生無相差球面波；本發(fā)明利用圖像采集與計算分析系統(tǒng)直 接采集點衍射圖像，無需產(chǎn)生干涉圖像，使檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化；本發(fā)明由于采用位相復(fù)原方 法，對照明光源的相干性沒有嚴格要求，而且可以根據(jù)實際使用情況，采用所需要波段的照 明光源，因此，可檢測的波段范圍寬。


圖1是現(xiàn)有的點衍射干涉儀工作原理示意圖。圖2是本發(fā)明星點衍射波面相差的檢測方法原理圖。圖3是本發(fā)明采集到的針孔衍射圖像。圖4是圖3經(jīng)過平滑、去噪聲處理后的針孔衍射圖像。圖5是利用本發(fā)明方法由針孔光波衍射圖像獲得的衍射波面面形圖。圖中1、單色照明系統(tǒng)，2、帶針孔的基板，3、被測試光學(xué)部件，4、CCD光電接收器， 5、會聚照明光源，6、被測試的針孔板，7、高倍放大光學(xué)成像系統(tǒng)，8、(XD光電探測器，9、圖像 采集與計算分析系統(tǒng)。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。如圖2至圖5所示，本發(fā)明星點衍射波面相差的檢測方法，包括如下步驟步驟一、將會聚照明光源5對準被測試的針孔板6上的針孔，使針孔發(fā)出球面衍射 光波；步驟二、利用高倍放大光學(xué)成像系統(tǒng)7對步驟一所述針孔發(fā)出的球面衍射光波成 像；步驟三、將C⑶光電探測器8的靶面調(diào)焦到步驟二所形成的衍射波面圖像上，接收 星點衍射圖像；步驟四、由與(XD光電探測器8相連的圖像采集與計算分析系統(tǒng)9，對步驟三所述 的星點衍射圖像采用位相復(fù)原算法與計算分析軟件進行處理，實現(xiàn)由星點衍射圖像到波面 相差圖像的測算復(fù)原，最終繪制出波面輪廓圖，從波面輪廓圖上得到波相差信息。上述位相復(fù)原算法與計算分析軟件用如下公式表示ASF(x, y) = / / P(x' , y' ) exp [_2 n i (xx' +yy' )]dx' dy'(1)其中，ASF(x，y)為點衍射振幅分布圖對應(yīng)的點擴散函數(shù)，P(x' ,y')為光瞳波面 函數(shù)。P(x' , y' ) = A(x' , y' )exp[ikff(x' , y' )](2)
其中，A(x, y)為光瞳波面函數(shù)的振幅部分，是光瞳形狀函數(shù)，在通光孔徑內(nèi)取1， 通光孔徑外為零；k = 2^1/X，X為會聚照明光源5的波長，W(x' ,y')為星點衍射波面
相差f曰息oPSF(x, y) = ASF(x, y) XASF*(x, y) = |ASF(x, y) |2(3)其中，PSF(x，y)為點擴散函數(shù)。由(XD光電探測器8獲得的星點衍射圖像的灰度值即為點擴散函數(shù)PSF(x，y)的 值，根據(jù)已知的PSF(x，y)和公式(1)、(2)、(3)，再采用傅里葉變換方法和迭代方法，可以實 現(xiàn)由PSF(x，y) — ASF(x，y) — P(x'，y' ) -ff(x'，y')的數(shù)學(xué)分析與計算，即獲得星 點衍射波面相差信息W(x'，y')。如圖5所示，其為采用本發(fā)明方法由星點衍射圖像獲得的星點衍射波面面形圖， 通過圖5可以直接觀測到星點衍射波面形狀，再經(jīng)過計算分析軟件對星點衍射波面面形圖 進行計算分析，便可以獲得星點衍射波面相差信息。本發(fā)明的方法能夠檢測針孔的質(zhì)量是否合格，以及檢測照明光源是否能嚴格對準 針孔并使針孔產(chǎn)生無相差球面波，具體過程如下(1)針孔質(zhì)量的檢測用會聚照明光源5全口徑照亮被測試的針孔板6，用高倍放大光學(xué)成像系統(tǒng)7對針 孔形成的衍射波面成像，把CCD光電探測器8的靶面調(diào)焦到衍射波面圖像上，接收星點衍射 圖像；由與CCD光電探測器8相聯(lián)的圖像采集與計算分析系統(tǒng)9對星點衍射圖像進行采集 與分析計算處理，獲得星點衍射波面相差的信息數(shù)據(jù)。根據(jù)波面相差測試結(jié)果，可以獲得各 種像差的數(shù)據(jù)，如彗差、像散、球差等，根據(jù)測試結(jié)果和技術(shù)參數(shù)要求評判針孔的質(zhì)量。(2)針孔照明光源的安裝與上述針孔質(zhì)量的檢測方法相同，只是把會聚照明光源5換成單色照明系統(tǒng)1。若 檢測到的衍射波前沒有球差、彗差，則說明照明光源已精確對準針孔。本發(fā)明通過直接采集 針孔衍射圖像，基于信息光學(xué)理論和位相復(fù)原方法，經(jīng)過計算分析而獲得針孔衍射波前的 位相差，彌補了干涉儀無法對針孔照明光源照射針孔所產(chǎn)生的衍射波面相差進行直接檢測 的弊端和不足。
權(quán)利要求
星點衍射波面相差的檢測方法，其特征在于，該方法包括如下步驟步驟一、將會聚照明光源(5)對準被測試的針孔板(6)上的針孔，使針孔發(fā)出球面衍射光波；步驟二、利用高倍放大光學(xué)成像系統(tǒng)(7)對步驟一所述針孔發(fā)出的球面衍射光波成像；步驟三、將CCD光電探測器(8)的靶面調(diào)焦到步驟二所形成的衍射波面圖像上，接收星點衍射圖像；步驟四、由與CCD光電探測器(8)相連的圖像采集與計算分析系統(tǒng)(9)對步驟三所述的星點衍射圖像進行采集與計算，該計算過程是設(shè)由CCD光電探測器(8)獲得的星點衍射圖像的灰度值即點擴散函數(shù)值為PSF(x，y)，由公式PSF(x，y)＝ASF(x，y)×ASF*(x，y)＝|ASF(x，y)|2計算得到點衍射振幅分布圖對應(yīng)的點擴散函數(shù)ASF(x，y)；再由公式ASF(x，y)＝∫∫P(x′，y′)exp[ 2πi(xx′+yy′)]dx′ dy′計算得到光瞳波面函數(shù)P(x′，y′)；最后，由公式P(x′，y′)＝A(x′，y′)exp[ikW(x′，y′)]計算得到星點衍射波面相差信息W(x′，y′)，式中，A(x′，y′)為P(x′，y′)的振幅部分，在通光孔徑內(nèi)取1，通光孔徑外為0；k＝2π/λ，λ為會聚照明光源(5)的波長。
全文摘要
本發(fā)明星點衍射波面相差的檢測方法屬于光學(xué)測試儀器研究領(lǐng)域，該方法是將會聚照明光源(5)對準被測試的針孔板(6)上的針孔，使針孔發(fā)出球面衍射光波；用高倍放大光學(xué)成像系統(tǒng)(7)對針孔成像，由CCD光電探測器(8)接收星點衍射圖像，經(jīng)圖像采集與計算分析系統(tǒng)(9)采用位相復(fù)原算法與計算分析軟件實現(xiàn)由星點衍射圖像到波面相差圖像的測算復(fù)原，最終繪制出波面輪廓圖，從波面輪廓圖上得到星點衍射波面相差的信息。本發(fā)明的檢測方法無需輔助基準光學(xué)波面，測試結(jié)構(gòu)簡單；測試波段范圍寬。
文檔編號G01J9/00GK101893485SQ201010229010
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月16日
發(fā)明者張海濤, 金春水, 陳土泉, 馬冬梅 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所