本發(fā)明涉及一種四波前橫向剪切干涉波前傳感器的靈敏度增強裝置及方法。
背景技術(shù)：
：干涉顯微技術(shù)通過檢測光束通過待測元件后的波前畸變重構(gòu)出待測元件的波前差、面形、缺陷等信息。傳統(tǒng)方法有數(shù)字全息顯微、衍射相位顯微等，這些技術(shù)都是基于馬赫曾德干涉儀或者點衍射干涉技術(shù)。而馬赫曾德干涉儀的檢測精度很大程度上取決于參考平板的質(zhì)量，點衍射干涉儀的檢測精度與針孔的質(zhì)量有關(guān)。除此之外，傳統(tǒng)方法的檢測裝置往往都很大，不易對光束進行校準。四波前橫向剪切干涉儀包括交叉光柵橫向剪切干涉儀、改進的哈特曼模版波前傳感器以及隨機編碼混合光柵波前傳感器，與傳統(tǒng)方法相比具有結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)裝調(diào)簡單，屬于自干涉沒有參考平面帶來的誤差，共路干涉抗外界環(huán)境干擾能力強等優(yōu)點。對于光學(xué)系統(tǒng)像差的檢測，可以采用傅立葉變化法結(jié)合差分澤尼克多項式擬合技術(shù)來實現(xiàn)波前的重構(gòu)，去除了高頻信息。對于表面微觀輪廓、生物細胞等位相檢測，其表現(xiàn)為高頻信息，因此就要采用傅里葉變換法結(jié)合最小二乘技術(shù)而不能采用差分澤尼克多項式擬合的方法。該方法相對于傳統(tǒng)泰曼格林干涉系統(tǒng)的檢測靈敏度可表示為其中s表示剪切率。雖然在大多數(shù)區(qū)域相對靈敏度值σ都大于1，當u＝m/s,v＝n/s,(m,n∈N)時，對應(yīng)的相對靈敏度為零，零點附近區(qū)域的相對靈敏度都將小于1，這些位置由于頻譜泄漏效應(yīng)，導(dǎo)致重構(gòu)波前具有周期性振蕩誤差。采用兩個不同剪切率的隨機編碼混合光柵波前傳感器，其相對靈敏度為其中s'表示第二個剪切率。通過兩個剪切率組合可以極大程度的消除相對靈敏度小于1的區(qū)域，消除周期性振蕩誤差，提高測量靈敏度和檢測精度。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種四波前橫向剪切干涉波前傳感器的靈敏度增強裝置及方法。四波前橫向剪切干涉波前傳感器的靈敏度增強裝置，包括分光棱鏡(S1)、第一四波前橫向剪切干涉波前傳感器(S2)、反射鏡(S3)、第二四波前橫向剪切干涉波前傳感器(S4)；其中第一四波前橫向剪切干涉波前傳感器(S2)和第二四波前橫向剪切干涉波前傳感器(S4)置于等光程位置，分光棱鏡(S1)以及第一四波前橫向剪切干涉波前傳感器(S2)在第一條光路中順序排列；分光棱鏡(S1)、反射鏡(S3)以及第二四波前橫向剪切干涉波前傳感器(S4)在第二條光路中順序排列。所述的四波前橫向剪切干涉波前傳感器為隨機編碼混合光柵波前傳感器。四波前橫向剪切干涉波前傳感器的靈敏度增強裝置的實現(xiàn)方法，包括如下步驟：步驟(1)調(diào)節(jié)第一四波前橫向剪切干涉波前傳感器(S2)和第二四波前橫向剪切干涉波前傳感器(S4)使得兩波前傳感器的探測器位于等光程位置；步驟(2)分別調(diào)節(jié)第一四波前橫向剪切干涉波前傳感器(S2)和第二四波前橫向剪切干涉波前傳感器(S4)中隨機編碼混合光柵與探測器感光面之間的距離，以得到不同的剪切率；步驟(3)分別調(diào)節(jié)第一四波前橫向剪切干涉波前傳感器(S2)和第二四波前橫向剪切干涉波前傳感器(S4)的相對水平位置和俯仰角，以得到的兩張空間位置重合的四波前橫向剪切干涉圖。步驟(4)對兩幅不同剪切率的四波前橫向剪切干涉圖采用組合剪切率傅里葉變換波前位相解調(diào)算法進行解調(diào)，包括如下步驟：(1)分別對兩個波前傳感器采集得到的干涉圖實施傅里葉變換，得到各自干涉圖對應(yīng)的頻譜圖；(2)對干涉圖頻譜中正一級譜實施逆傅里葉變換和相位解包裹算法后得到各自x、y方向上的剪切波前；(3)對x、y方向上的剪切波前再次進行傅里葉變換，對x、y方向剪切波前頻譜采用最小二乘擬合法將頻譜信息相互疊加，補足頻譜周期性缺失的信息，消除相對靈敏度為零的區(qū)域，得到待測波前對應(yīng)的頻譜，再經(jīng)傅里葉逆變換得到待測波前，實現(xiàn)高靈敏度的波前位相檢測。本發(fā)明的有益效果如下：在單個四波前橫向剪切干涉隨機編碼混合光柵波前傳感器的基礎(chǔ)上，將待測光束分為兩束后，再增加一個四波前橫向剪切干涉隨機編碼混合光柵波前傳感器，分別調(diào)節(jié)兩隨機編碼混合光柵波前傳感器中光柵與探測器之間的距離使相應(yīng)剪切率滿足靈敏度增強條件，解決了傳統(tǒng)四波前橫向剪切干涉系統(tǒng)采用傅里葉變換位相重建技術(shù)頻譜存在的周期性振蕩現(xiàn)象，通過組合剪切率的方式來消除相對靈敏度為零的區(qū)域，補足頻譜中缺失的信息，相對于傳統(tǒng)泰曼格林干涉儀提高了測量的靈敏度，實現(xiàn)了大剪切率情況下利用傅里葉變換位相重建技術(shù)的高分辨率高靈敏度檢測。附圖說明圖1是本發(fā)明的四波前橫向剪切干涉波前傳感器靈敏度增強裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明用于測量相位板文字刻蝕深度的光路布局圖；圖3是本發(fā)明用于相位板刻蝕文字深度測量的光路調(diào)整方法流程圖；圖4是組合剪切率傅里葉變換法波前位相重構(gòu)算法流程圖；圖5(a)是第一四波前橫向剪切干涉波前傳感器接收到的干涉圖；圖5(b)是第二四波前橫向剪切干涉波前傳感器接收到的干涉圖；圖6(a)是采用單一四波前橫向剪切干涉波前傳感器用于相位板刻蝕文字深度測量待測波前的頻譜信息；圖6(b)是本發(fā)明用于相位板刻蝕文字深度測量待測波前的頻譜信息；圖7(a)是采用單一四波前橫向剪切干涉波前傳感器用于相位板刻蝕文字深度測量解調(diào)出的相位板文字二維刻蝕深度分布圖；圖7(b)是本發(fā)明用于相位板刻蝕文字深度測量解調(diào)出的相位板文字二維刻蝕深度分布圖；圖8(a)是圖7(a)中虛線位置對應(yīng)的截面圖；圖8(b)是圖7(b)中虛線位置對應(yīng)的截面圖；圖9是本發(fā)明用于相位板刻蝕文字深度測量解調(diào)出的相位板文字三維刻蝕深度分布圖；圖10是本發(fā)明用于人血紅細胞的定量相位顯微的光路布局圖；圖11是本發(fā)明用于人血紅細胞的定量相位顯微對應(yīng)的頻譜圖；圖12是本發(fā)明用于人血紅細胞的定量相位顯微圖像。具體實施方式如圖1所示，四波前橫向剪切干涉波前傳感器的靈敏度增強裝置，包括分光棱鏡S1、第一四波前橫向剪切干涉波前傳感器S2、反射鏡S3、第二四波前橫向剪切干涉波前傳感器S4；其中第一四波前橫向剪切干涉波前傳感器S2和第二四波前橫向剪切干涉波前傳感器S4置于等光程位置，分光棱鏡S1以及第一四波前橫向剪切干涉波前傳感器S2在第一條光路中順序排列；分光棱鏡S1、反射鏡S3以及第二四波前橫向剪切干涉波前傳感器S4在第二條光路中順序排列。所述的四波前橫向剪切干涉波前傳感器為隨機編碼混合光柵波前傳感器。四波前橫向剪切干涉波前傳感器的靈敏度增強裝置的實現(xiàn)方法，包括如下步驟：步驟(1)調(diào)節(jié)第一四波前橫向剪切干涉波前傳感器S2和第二四波前橫向剪切干涉波前傳感器S4使得兩波前傳感器的探測器位于等光程位置；步驟(2)分別調(diào)節(jié)第一四波前橫向剪切干涉波前傳感器S2和第二四波前橫向剪切干涉波前傳感器S4中隨機編碼混合光柵與探測器感光面之間的距離，以得到不同的剪切率；步驟(3)分別調(diào)節(jié)第一四波前橫向剪切干涉波前傳感器S2和第二四波前橫向剪切干涉波前傳感器S4的相對水平位置和俯仰角，以得到的兩張空間位置重合的四波前橫向剪切干涉圖。步驟(4)對兩幅不同剪切率的四波前橫向剪切干涉圖采用組合剪切率傅里葉變換波前位相解調(diào)算法進行解調(diào)，如圖4所示，包括如下步驟：(1)分別對兩個波前傳感器采集得到的干涉圖實施傅里葉變換，得到各自干涉圖對應(yīng)的頻譜圖；(2)對干涉圖頻譜中正一級譜實施逆傅里葉變換和相位解包裹算法后得到各自x、y方向上的剪切波前；(3)對x、y方向上的剪切波前再次進行傅里葉變換，對x、y方向剪切波前頻譜采用最小二乘擬合法將頻譜信息相互疊加，補足頻譜周期性缺失的信息，消除相對靈敏度為零的區(qū)域，得到待測波前對應(yīng)的頻譜，再經(jīng)傅里葉逆變換得到待測波前，實現(xiàn)高靈敏度的波前位相檢測。單四波前橫向剪切干涉波前傳感器相對于傳統(tǒng)泰曼格林干涉系統(tǒng)檢測的靈敏度表示為其中s為波前傳感器對應(yīng)的剪切率，u,v分別是傅里葉頻譜空間的橫縱坐標。雖然在大多數(shù)區(qū)域相對靈敏度值σ都大于1，但是當坐標位于u＝m/s,v＝n/s,(m,n∈N)位置時，對應(yīng)的相對靈敏度為零，零點附近區(qū)域的相對靈敏度都將小于1，這些位置由于頻譜泄漏效應(yīng)，導(dǎo)致重構(gòu)波前具有周期性振蕩誤差，對這些位置的波前信息無法進行高精度的檢測。在此基礎(chǔ)上，采用兩個不同剪切率的隨機編碼混合光柵波前傳感器，其相對靈敏度為其中s'表示第二個剪切率。當位置坐標位于u＝m/s,v＝n/s,(m,n∈N)時，第一四波前橫向剪切干涉波前傳感器S2的相對靈敏度為零，但是第二四波前橫向剪切干涉波前傳感器S4的相對靈敏度不為零；反之，第二四波前橫向剪切干涉波前傳感器S4的相對靈敏度為零時，第一四波前橫向剪切干涉波前傳感器S2的相對靈敏度不為零。如此，采用最小二乘技術(shù)疊加兩波前傳感器獲得干涉圖對應(yīng)的頻譜，可以極大程度的消除相對靈敏度小于1的區(qū)域，消除周期性振蕩誤差，提高測量靈敏度和檢測精度。實施例1：本發(fā)明應(yīng)用于相位板文字刻蝕深度高靈敏度測量實例描述如下：圖2是四波前橫向剪切干涉波前傳感器的靈敏度增強裝置對相位板文字刻蝕深度檢測的光路布局圖。實施例的待測元件是相位板上的刻蝕文字“S”。采用波長為623.8nm的He-Ne激光器。激光器A1發(fā)出激光經(jīng)針孔濾波器A2以及準直透鏡A3后產(chǎn)生亮度均勻的平行光，經(jīng)過待測元件A4，經(jīng)物鏡A5、目鏡A6后再經(jīng)分光棱鏡S1進行分束，一路透射進入第一四波前橫向剪切干涉波前傳感器S2，被光柵周期為30μm的隨機編碼混合光柵衍射形成四個復(fù)制的波前入射到探測器上，在重疊區(qū)域形成干涉；另一路經(jīng)反射鏡S3后被第二四波前橫向剪切干涉波前傳感器S4接收，同樣經(jīng)過一塊光柵周期為30μm的隨機編碼混合光柵后打在探測器上，在重疊區(qū)域形成干涉。圖3是實施例中光路調(diào)整流程圖。表一為實施例中的相位板文字刻蝕深度、剪切率、探測器像素數(shù)等參數(shù)相位板刻蝕深度剪切率1剪切率2探測器像素數(shù)58nm0.019350.013202056×2056實施例中調(diào)節(jié)光路使得經(jīng)過分光棱鏡S1的兩束光成90°夾角，其中一路透射進入探測器S2中，另一路反射光經(jīng)反射鏡S3再次反射被第二四波前橫向剪切干涉波前傳感器S4接收。使用反射鏡S3的目的是消除一次反射所帶來的鏡面效應(yīng)。第一四波前橫向剪切干涉波前傳感器S2和第二四波前橫向剪切干涉波前傳感器S4的探測器與待測相位板A4位置共軛。分別改變兩個波前傳感器中的隨機編碼混合光柵與探測器之間的距離，可以得到兩個不同的剪切率組合，當滿足靈敏度增強條件時，可以實現(xiàn)對待測相位板A4的高靈敏度波前位相檢測。圖5(a)是第一四波前橫向剪切干涉波前傳感器S2接收到的干涉圖，圖5(b)是第二四波前橫向剪切干涉波前傳感器S4接收到的干涉圖，兩幅干涉圖所對應(yīng)的剪切量大小不同。傳統(tǒng)單個波前傳感器的四波橫向剪切干涉方法在使用光柵周期為30μm的隨機編碼混合光柵來進行波前位相檢測時，由于空間分辨率較高且傅里葉變換過程中存在頻率泄漏效應(yīng)，其頻譜會出現(xiàn)周期性振蕩，導(dǎo)致周期性的誤差。只用第一四波前橫向剪切干涉波前傳感器所獲得的干涉圖解調(diào)待測波前對應(yīng)的頻譜如圖6(a)所示，可以看到頻譜會出現(xiàn)周期性振蕩現(xiàn)象，重構(gòu)出的相位板文字二維刻蝕深度分布如圖7(a)所示，從圖中可以看到整張重構(gòu)圖中充滿了周期性振蕩誤差，圖中虛線位置對應(yīng)截面圖如圖8(a)所示。采用本發(fā)明的雙波前傳感器獲得的干涉圖解調(diào)待測波前對應(yīng)的頻譜如圖6(b)所示，通過對比可以發(fā)現(xiàn)大大消除了頻譜中的振蕩現(xiàn)象；重構(gòu)出的相位板文字二維刻蝕深度分布如圖7(b)所示，消除了高頻振蕩誤差，背景相對較純凈；圖7(b)中虛線位置對用截面圖如圖8(b)所示，從截面圖也可看出對振蕩誤差有了極大的改善；雙波前傳感器波重構(gòu)相位板文字的三維刻蝕深度分布如圖9所示。實施例2：本發(fā)明應(yīng)用于人血紅細胞的高靈敏度定量相位顯微的實例描述如下：圖10是四波前橫向剪切干涉波前傳感器靈敏度增強裝置用于人血紅細胞定量相位顯微的光路布局圖。實施例的待測元件B7是人血涂片，系統(tǒng)采用中心波長為623nm，半高全寬為18nm的LED光源。LED光源B1經(jīng)針孔濾波器B2以及準直透鏡B3后產(chǎn)生亮度均勻的平行光，再經(jīng)反射鏡B4和透鏡B5后光束進入到聚光透鏡B6中。將人血涂片B7置于聚光透鏡B6和顯微物鏡B8的焦點位置，光束經(jīng)過人血涂片B7后，攜帶了相關(guān)信息的待測波前經(jīng)準直透鏡B9進入到本發(fā)明中的四波前橫向剪切干涉波前傳感器靈敏度增強裝置，分別在第一四波前橫向剪切干涉波前傳感器S2和第二四波前橫向剪切干涉波前傳感器S4中形成干涉圖。實施例中采用100X消色差油浸顯微物鏡作為聚光透鏡B6和顯微物鏡B8，其數(shù)值孔徑可達1.4，第一四波前橫向剪切干涉波前傳感器S2和第二四波前橫向剪切干涉波前傳感器S4對應(yīng)的剪切率分別為0.02485和0.01935，CCD像素數(shù)為2056×2056。圖11是本發(fā)明用于人血紅細胞定量相位顯微獲得的頻譜圖，可以看出頻譜中沒有周期性振蕩現(xiàn)象。應(yīng)用如圖4所示波前位相重構(gòu)算法即可得到人血涂片B7的定量相位顯微圖像，如圖12所示。當前第1頁1 2 3