一种基于CGH的凸面光栅检测系统

一种基于cgh的凸面光栅检测系统
技术领域
1.本实用新型属于光学检测技术领域，涉及一种凸面光栅检测系统。


背景技术：

2.成像光谱仪可用于获取目标场景的空间信息和光谱信息，具有图谱合一的特点，在对地遥感、机器视觉和目标识别等领域中获得了广泛的应用。成像光谱仪光学系统一般由前置系统和分光系统组成，其中分光系统是成像光谱仪的核心部分，决定着光谱性能。为了实现高的成像质量和紧凑的体积，分光系统常采用基于凸面光栅的offner分光结构。如图1所示，该结构为全反射式结构，由主反射镜、凸面光栅和第三反射镜组成。
3.在offner型成像光谱仪系统中，凸面光栅的性能会影响仪器的最终性能，需要对其周期、衍射效率以及波前质量等性能进行评估。然而受限于现有的检测方法和装置，目前常规的凸面光栅评估仅包含周期和衍射效率的测试，难以对其波前质量进行检测。“design,fabrication,and testing of convex reflective diffraction gratings”中报道了两种凸面光栅的波前检测方法。第一种方法是利用0级光进行检测，存在的问题有：a)对于闪耀光栅，0级衍射光能量低，b)对于凸面光栅，0级光存在较大的像散。第二种方法是基于实际offner分光结构进行波前检测，该方法存在的问题是测试结果中同时包含了系统的装调误差和元件加工误差，测试结果无法准确评估光栅的波前质量。另外，对于非球面、自由曲面光栅，其波前检测较常规的球面光栅难度更大。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，提供一种基于cgh(计算全息片)的凸面光栅检测系统。以提高光能利用率以及测量对象范围。
5.一种基于cgh的凸面光栅检测系统，包括干涉仪、第一cgh补偿器、第二cgh补偿器、标准球面反射镜；
6.干涉仪中发出的测试光入射至所述第一cgh补偿器上；
7.经第一cgh补偿器相位调制后，其第一级次衍射光反射至待测凸面光栅；
8.经待测凸面光栅衍射后，待测凸面光栅的工作级次衍射光反射至所述第二cgh补偿器；
9.经第二cgh补偿器相位调制后，其第一级次衍射光的会聚点与标准球面反射镜的曲率中心重合；
10.经标准球面反射镜后，测试光原路返回至所述干涉仪中。
11.测试光原路返回至所述干涉仪的光路具体为：光线经标准球面反射镜后先反射至第二cgh补偿器，然后第二cgh补偿器的第一级次衍射光反射至所述待测凸面光栅，经待测凸面光栅衍射后，待测凸面光栅的工作级次衍射光反射至所述第一cgh补偿器；最后第一cgh补偿器的第一级次衍射光反射回所述干涉仪中。
12.经标准球面反射镜后，测试光原路返回至所述干涉仪中，测试光与参考光发生干
涉，继而得到凸面光栅的波前信息。所述干涉仪能够根据测试光经过检测系统返回至干涉仪中得到的干涉条纹测量该光路的波像差。所述标准球面反射镜能够达到较高的面形精度，减小对检测精度的影响。
13.优选的：还包括第一空间滤波器；所述第一空间滤波器设置于所述标准球面反射镜的曲率中心位置。第一空间滤波器只让来自第一cgh补偿器的第一级次衍射光、待测凸面光栅的工作级次衍射光、第二cgh补偿器的第一级次衍射光通过。
14.优选的：还包括第二空间滤波器、所述第二空间滤波器设置于所述干涉仪的焦点位置。第二空间滤波器只让来自第一cgh补偿器的第一级次衍射光、待测凸面光栅的工作级次衍射光、第二cgh补偿器的第一级次衍射光通过。
15.优选的：所述第一cgh补偿器、第二cgh补偿器设置在同一块基板上。将其设置在同一块基板上可以减少元件数量，降低凸面光栅检测系统的装调难度。此外用光刻工艺在同一块基板上可同时制备第一cgh补偿器、第二cgh补偿器。
16.优选的：所述第一cgh补偿器、第二cgh补偿器均为二元光学面；以子午方向为y轴，弧矢方向为x轴，以光轴方向为z轴，所述二元光学面根据下面的xy多项式改变经过该面的波前相位：
17.φ＝m(a1x1y0+a2x0y1+a3x2y0+a4x1y1+a5x0y2+a6x3y0+a7x2y1+a8x1y2+a9x0y3+
…
)；
18.m是衍射级次；a1至a9是单项式的系数，x为x轴上坐标，y为y轴上坐标。
19.优选的整个系统关于yoz平面对称，为此相位多项式中的x奇次项设置为0，优化过程中仅使用偶次项，最高幂次项为4次，优化的形式如下：
20.φ＝m(a2x0y1+a3x2y0+a5x0y2+a7x2y1+a9x0y3+
…
)。
21.优选的：所述第一cgh补偿器、第二cgh补偿器的口径均不超过100mm。
22.此外，在上述一种基于cgh的凸面光栅检测系统的基础上，本实用新型还提出一种基于cgh的凸面光栅检测系统的设计方法，包括：
23.步骤1、先根据待测凸面光栅设计offner光谱仪系统，所述的offner光谱仪系统中狭缝处发出光入射至主反射镜，经主反射镜反射后入射至待测凸面光栅，经待测凸面光栅反射后入射至第三反射镜，经第三反射镜反射后成像至像面；
24.根据设计的offner光谱仪系统确定基于cgh的凸面光栅检测系统的初始结构；
25.所述干涉仪的焦点与所述第一cgh补偿器的初始间距d1等于offner光谱仪系统中狭缝与主反射镜的间距；
26.所述第一cgh补偿器与待测凸面光栅的初始间距d2等于offner光谱仪系统中待测凸面光栅与主反射镜的间距；
27.待测凸面光栅与所述第二cgh补偿器的初始间距d3等于offner光谱仪系统中待测凸面光栅与第三反射镜的间距；
28.所述第二cgh补偿器与会聚点的初始间距d4等于offner光谱仪系统中第三反射镜与像面的间距；
29.步骤2、计算所述第一cgh补偿器的初始相位，使其第一级次衍射光反射至待测凸面光栅，光线完全充满凸面光栅的口径；计算所述第二cgh补偿器的初始相位，使其第一级次衍射光会聚到会聚点；
30.步骤3、设置所述第一cgh补偿器、第二cgh补偿器的相位为优化变量；
31.步骤4、执行优化，利用点列图与波像差作为像质评价，当像质满足设计要求时，输出基于cgh的凸面光栅检测系统的优化结构参数；
32.步骤5、在所述第二cgh补偿器的第一级次衍射光会聚点的后方设置所述标准球面反射镜；会聚点与标准球面反射镜的曲率中心重合，使入射至所述标准球面镜的测试光原路返回至所述干涉仪中。
33.步骤4的优化过程中注意：
34.优化时避免凸面光栅对干涉仪发出的测试光造成遮拦；
35.优化时避免凸面光栅对第二cgh补偿器的第一级次衍射光造成遮拦。
36.优选的：在步骤1中，基于cgh的凸面光栅检测系统的物方数值孔径等于凸面光栅offner光谱仪系统的物方数值孔径。
37.优选的：在步骤3中，d1、d2、d3、d4不作为优化变量。
38.优选的：在步骤4中，第一cgh补偿器与待测凸面光栅的间距d2等于待测凸面光栅与第二cgh补偿器的间距d3。
39.本实用新型的有益效果：
40.本实用新型提出一种基于cgh的凸面光栅检测系统，检测系统的测试光经凸面光栅反射时采用的是工作级次衍射光，光能利用率高；采用的cgh补偿器元件具有对准简单、研制成本低等优点；测量的对象范围广，包括球面凸面光栅、非球面凸面光栅、自由曲面凸面光栅。
41.上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
42.图1是offner光谱仪系统结构示意图；
43.图2是本实用新型实施例提供的一种基于cgh的凸面光栅检测系统的结构示意图；
44.图3是本实用新型实施例提供的设计实例的结构示意图；
45.图4是本实用新型实施例提供的第一cgh补偿器、第二cgh补偿器在同一块基板上的布局示意图；
46.图5是本实用新型实施例提供的系统的点列图；
47.图6是本实用新型实施例提供的系统的波像差图；
48.标记说明：1、干涉仪；2、第一cgh补偿器；3、待测凸面光栅；4、第二cgh补偿器；5、标准球面反射镜。
具体实施方式
49.下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。
50.本技术提出一种基于cgh的凸面光栅检测系统。该系统的干涉仪中发出的测试光入射至所述第一cgh补偿器上；经第一cgh补偿器相位调制后，将其第一级次衍射光反射至待测凸面光栅；经待测凸面光栅衍射后，待测凸面光栅的工作级次衍射光反射至所述第二
cgh补偿器；经第二cgh补偿器相位调制后，其第一级次衍射光的会聚点与标准球面反射镜的曲率中心重合；经标准球面反射镜后，测试光原路返回至所述干涉仪中。
51.接下来结合附图来描述本技术提出的凸面光栅检测系统。
52.如图2所示，本实用新型实施例中一种基于cgh的凸面光栅检测系统，包括：干涉仪1、第一cgh补偿器2、第二cgh补偿器4、标准球面反射镜5。
53.干涉仪1中发出的测试光入射至第一cgh补偿器2上；
54.经第一cgh补偿器2相位调制后，将其第一级次衍射光反射至待测凸面光栅；
55.经待测凸面光栅3衍射后，待测凸面光栅3的工作级次衍射光反射至所述第二cgh补偿器4；
56.经第二cgh补偿器4相位调制后，其第一级次衍射光的会聚点与标准球面反射镜的曲率中心重合；
57.经标准球面反射镜5后，测试光原路返回至所述干涉仪1中。
58.测试光原路返回至所述干涉仪1的光路具体为：光线经标准球面反射镜5后先反射至第二cgh补偿器4，然后第二cgh补偿器4的第一级次衍射光反射至所述待测凸面光栅3，经待测凸面光栅3衍射后，待测凸面光栅3的工作级次衍射光反射至所述第一cgh补偿器2；最后第一cgh补偿器2的第一级次衍射光反射回所述干涉仪1中，与干涉仪1中的参考光发生干涉。
59.下面提供一个仿真的实例。设计实例的系统测试波长λ为632.8nm，f数为6.75；测量对象是一台含有自由曲面的offner光谱仪使用的自由曲面凸面光栅，顶点曲率半径为403.94mm，口径为64mm，周期为45lp/mm，自由曲面是以fringe zernike多项式表征的，面形描述参数见表1。
60.fringe zernike多项式表达式为：
[0061][0062]
式中，z是矢高，c是顶点曲率，k是二次曲面系数，r是径向口径，zj是第j项多项式，cj是zj的系数。
[0063]
设计实例的光路如图3所示，光学参数如表2所示，第一cgh补偿器、第二cgh补偿器设置在同一块cgh基板上，布局如图4所示。
[0064]
第一cgh补偿器、第二cgh补偿器均为二元光学面，二元光学面根据下面的xy多项式改变经过该面的波前相位：
[0065]
φ＝m(a1x1y0+a2x0y1+a3x2y0+a4x1y1+a5x0y2+a6x3y0+a7x2y1+a8x1y2+a9x0y3+
…
)
[0066]
整个系统关于yoz平面对称，为此相位多项式中的x奇次项设置为0，优化过程中仅使用偶次项，最高幂次项为4次，优化的形式如下：
[0067]
φ＝m(a2x0y1+a3x2y0+a5x0y2+a7x2y1+a9x0y3+
…
)
[0068]
第一cgh补偿器、第二cgh补偿器的相位多项式的各项参数分别如表3、表4所示。
[0069]
设计实例的点列图如图5所示，波像差如图6所示，均方根半径为0.174μm，波像差pv值为0.018λ，rms值为0.003λ，可见成像质量良好。
[0070]
表1为自由曲面面形描述参数表，如下所示
[0071]
zf5zf8zf9zf110.05172.4433e-056.7150e-06-4.5546e-06zf12zf15zf16zf172.9842e-053.2346e-061.5922e-062.6115e-05
[0072]
表1
[0073]
表2为系统参数表，
[0074][0075][0076]
表2
[0077]
表3为第一cgh补偿器相位多项式参数表
[0078]
衍射阶构造波长yx2y2x2y1632.80.0051-0.0012-0.0012-1.5226e-007y3x4x2y2y4x4y
ꢀ‑
2.0211e-0075.4478e-0103.8516e-0101.9426e-010-1.4753e-012 [0079]
表3
[0080]
表4为第二cgh补偿器相位多项式参数表
[0081]
衍射阶构造波长yx2y2x2y1632.80.0091-0.0013-0.00132.5875e-008y3x4x2y2y4x4y 4.7671e-0082.5950e-0101.2654e-096.3360e-0106.9272e-013 [0082]
表4
[0083]
本实用新型实施例中一种基于cgh的凸面光栅检测系统的设计方法，具体设计方法包括：
[0084]
步骤1、先根据待测凸面光栅的offner光谱仪系统构建基于cgh的凸面光栅检测系统单光路；
[0085]
本实用新型实施例的物方数值孔径等于凸面光栅offner光谱仪系统的物方数值孔径，为0.074。
[0086]
干涉仪1的焦点与第一cgh补偿器2的初始间距d1等于offner光谱仪系统中狭缝与主反射镜的间距，为799.78mm；
[0087]
第一cgh补偿器2与待测凸面光栅3的初始间距d2等于offner光谱仪系统中待测凸面光栅与主反射镜的间距，为394.00mm；
[0088]
待测凸面光栅3与第二cgh补偿器4的初始间距d3等于offner光谱仪系统中凸面光栅与第三反射镜的间距，为394.00mm；
[0089]
第二cgh补偿器4与像点的初始间距d4等于offner光谱仪系统中第三反射镜与像面的间距，为799.84mm；
[0090]
步骤2、对第一cgh补偿器2计算初始相位，使其第一级次衍射光反射至凸面光栅，光线完全充满凸面光栅的口径；对第二cgh补偿器4计算初始相位，使其第一级次衍射光会聚；
[0091]
步骤3、设置优化变量，具体优化变量有第一cgh补偿器2、第二cgh补偿器4的相位；
[0092]
步骤4、执行优化，利用点列图与波像差作为像质评价，当像质满足要求时，输出设计的单光路系统；
[0093]
步骤5、在第二cgh补偿器4的第一级次衍射光会聚点的后方设置所述标准球面反射镜5，使入射至标准球面镜5的测试光原路返回至所述干涉仪中，形成双光路，完成基于cgh的凸面光栅检测系统设计。
[0094]
以上实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所做的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。