一種實(shí)現(xiàn)可編程多波橫向剪切干涉儀的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)可編程多波橫向剪切干涉儀的方法，實(shí)現(xiàn)了通過編程生成光 柵和通過編程改變干涉儀動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度的功能，同時(shí)還為在三波、四波和六波橫向剪 切干涉儀之間的切換提供了便利，可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在光學(xué)元件的表面檢測(cè)、光學(xué)自適應(yīng)系統(tǒng)、光束凈化等領(lǐng)域中波前傳感器得到了 廣泛的應(yīng)用。常用的波前傳感器有干涉儀波前傳感器、夏克哈特曼波前傳感器等。
[0003] 夏克哈特曼波前傳感器使待測(cè)波面入射到微透鏡陣列，在微透鏡陣列的焦面處放 置探測(cè)器接收會(huì)聚點(diǎn)，根據(jù)這些匯聚點(diǎn)的質(zhì)心位置測(cè)量出質(zhì)心偏移，求出待測(cè)波前的梯度 信息，從而重構(gòu)波前。夏克-哈特曼法由于受到微透鏡陣列與探測(cè)器匹配原理的制約，其對(duì) 待測(cè)波前的采樣點(diǎn)數(shù)受到限制，因此恢復(fù)的波前空間分辨率較低。
[0004] 多波橫向剪切干涉儀使用二維光柵作為波前分光器件將待測(cè)波前分為多支，并使 它們發(fā)生橫向剪切干涉。這些復(fù)制波前在觀測(cè)平面上相互疊加產(chǎn)生干涉條紋，最后通過 對(duì)干涉條紋的計(jì)算復(fù)原出波前信息。其中，四波橫向剪切干涉儀與現(xiàn)在最常用的夏克哈 特曼波前傳感器相比，有更高的空間分辨率，且由于圖像傳感器與光柵之間的距離可以在 0.I-IOOmm之間任意變換，四波橫向剪切干涉儀不但靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍可調(diào)且結(jié)構(gòu)更緊湊、 簡(jiǎn)單。
[0005] 四波橫向剪切干涉儀所用的衍射光柵（ModifiedHartmannMaskMHM)是由一個(gè) 周期為P的振幅光柵（即哈特曼掩膜）和一個(gè)周期為2P的相位板組成的復(fù)振幅光柵，這種 光柵可以將90%以上的衍射光能量集中在四束一級(jí)衍射光中。
[0006] 三波橫向剪切干涉儀所用的衍射光柵一塊由相位分別為0、2 /3和-2 /3的六 邊形微相位板組成的純相位光柵。這種光柵可以將大部分的衍射光能量集中在三束與光軸 夾角相等的一級(jí)衍射光中。
[0007] 六波橫向剪切干涉儀所用的衍射光柵是一塊由六邊形形狀的微透鏡組成的透鏡 陣列，同樣相當(dāng)于一塊純相位光柵。經(jīng)過該光柵衍射的光約50%的能量集中在六束一級(jí)衍 射光中。
[0008] 傳統(tǒng)的振幅光柵由金屬鉻制成，位相光柵由熔石英刻蝕而成，刻蝕過程中由于受 到基片面型誤差、材料非均勻性及加工誤差等的影響，傳統(tǒng)衍射光柵衍射效率與理想情況 相比存在一定誤差，且光柵一旦成型不具有可變性，也即光柵周期和形態(tài)皆不可變，這些都 使干涉儀的靈活性和準(zhǔn)確性受到一定限制。
[0009] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：1、傳統(tǒng)的四波橫向剪切干涉儀中，衍射光柵的光柵 周期不可變，要改變干涉儀的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍，只能通過改變CCD和光柵之間的距離來 實(shí)現(xiàn)，這不僅會(huì)加大干涉儀的損耗，也會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大降低。2、傳統(tǒng)的四波橫向剪切 干涉儀中，衍射光柵的光柵形態(tài)不可變，要實(shí)現(xiàn)在四波橫向剪切干涉儀、三波橫向剪切干涉 儀和六波橫向剪切干涉儀之間的切換，只能通過更換系統(tǒng)中的光柵來實(shí)現(xiàn)，操作過程比較 繁瑣且容易破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明要解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：用純相位空間光調(diào)制器生成多波 橫向剪切干涉儀的衍射光柵，通過編程手段改變光柵周期和光柵形態(tài)。
[0011] 具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0012] (1)確定靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍要求；
[0013] (2)確定工作模式（三波橫向剪切干涉儀/四波橫向剪切干涉儀/六波橫向剪切 干涉儀）；
[0014] (3)計(jì)算干涉儀所需的光柵復(fù)振幅透過率分布；
[0015] (4)用純相位空間光調(diào)制器生成多波橫向剪切干涉儀的衍射光柵；
[0016] (5)將圖像傳感器作為接收屏放置在出射光路上，經(jīng)過純相位空間光調(diào)制器反射 的反射光在接收屏上相干疊加形成干涉條紋，對(duì)圖像傳感器探測(cè)得到干涉條紋進(jìn)行計(jì)算獲 得波前斜率信息，進(jìn)而復(fù)原波前；
[0017] (6)通過編程改變工作模式，改變四波橫向剪切干涉儀的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。
[0018] 其具體步驟如下：
[0019]a.確定靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。
[0020] 無(wú)論是對(duì)于四波橫向剪切干涉儀、三波橫向剪切干涉儀還是六波橫向剪切干涉儀 來說，其靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍都由z/d決定，其中z為圖像傳感器與光柵之間的距離，d為干 涉儀的光柵周期；當(dāng)干涉儀的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍確定，z確定以后，d也就確定了。
[0021] b?確定干涉儀的工作模式。
[0022] c.計(jì)算干涉儀所需的光柵復(fù)振幅透過率分布。
[0023] 四波橫向剪切干涉儀的光柵復(fù)振幅透過率函數(shù)為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種實(shí)現(xiàn)可編程多波橫向剪切干涉儀的方法，其特征在于，步驟如下： (1) 確定靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍要求； (2) 確定工作模式，包括：三波橫向剪切干涉儀/四波橫向剪切干涉儀/六波橫向剪切 干涉儀； (3) 計(jì)算干涉儀所需的光柵復(fù)振幅透過率分布； (4) 用純相位空間光調(diào)制器生成多波橫向剪切干涉儀的衍射光柵； (5) 將圖像傳感器作為接收屏放置在出射光路上，經(jīng)過純相位空間光調(diào)制器反射的反 射光在接收屏上相干疊加形成干涉條紋，對(duì)圖像傳感器探測(cè)得到干涉條紋進(jìn)行計(jì)算獲得波 前斜率信息，進(jìn)而復(fù)原波前； (6) 通過編程改變工作模式，改變四波橫向剪切干涉儀的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)可編程多波橫向剪切干涉儀的方法，其特征在于： 步驟（3)所述計(jì)算干涉儀所需的光柵復(fù)振幅透過率分布步驟分別如下： 四波橫向剪切干涉儀的光柵復(fù)振幅透過率函數(shù)為： /(.V, V) = Π,,,Λ-ν, (/(Λ% r)cxp(//n-/i/)cxp(z'OT/d)] ①， 其中combd>d(x, y)為x方向和y方向周期都為d的二維梳狀函數(shù)，a = 2d/3, ?為卷積 符號(hào)，式中門函數(shù)Πα Jx, j) = ft -; 三波橫向剪切干涉儀的光柵復(fù)振幅透過率函數(shù)為： t'（x，y) = exp[i〇'（x，y)] ②，其中 Φ'（x，y)代表相位分布； ③
式中函數(shù)hexa(x, y)為邊長(zhǎng)為a的六邊形函數(shù)； 為X方向周期為3晶，y方向周期為3a的梳狀函數(shù)； 六波橫向剪切干涉儀的光柵復(fù)振幅透過率函數(shù)為：
k為波數(shù)k = 2 π / λ，f為微透鏡焦距。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)可編程多波橫向剪切干涉儀的方法，其特征在于： 步驟（4)所述用純相位空間光調(diào)制器生成多波橫向剪切干涉儀的衍射光柵，其中，純相位 空間光調(diào)制器是純相位液晶空間光調(diào)制器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)可編程多波橫向剪切干涉儀的方法，其特征在于： 步驟（4)所述用純相位空間光調(diào)制器生成多波橫向剪切干涉儀的衍射光柵，用純相位液晶 空間光調(diào)制器生成三波、六波橫向剪切干涉儀的衍射光柵時(shí)，只需要將六邊形位相光柵或 六邊形微透鏡陣列用O~255位的灰度圖表示，在調(diào)制器程序中調(diào)用該灰度圖即可生成所 需光柵；用純相位液晶空間光調(diào)制器生成四波橫向剪切干涉儀的衍射光柵時(shí)，只需要將光 柵的振幅和相位同時(shí)編碼到一個(gè)純相位函數(shù)，用該純相位函數(shù)表示的相位光柵，其正一級(jí) 衍射光的振幅分布即可得到光柵的復(fù)振幅分布進(jìn)而生成光柵。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)可編程多波橫向剪切干涉儀的方法，其特征在于： 步驟（5)所述將圖像傳感器作為接收屏放置在出射光路上，經(jīng)過純相位空間光調(diào)制器反射 的反射光在接收屏上相干疊加形成干涉條紋，對(duì)圖像傳感器探測(cè)得到的干涉條紋進(jìn)行計(jì)算 獲得波前斜率信息，進(jìn)而復(fù)原波前；其中，圖像傳感器是CCD相機(jī)或CMOS相機(jī)，從干涉條紋 獲得波前斜率的計(jì)算方法，是傅里葉變換或小波變換。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)可編程多波橫向剪切干涉儀的方法，其特征在于： 步驟（6)所述通過編程改變工作模式，改變四波橫向剪切干涉儀的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍，通 過編程使純相位空間光調(diào)制器在六邊形純相位光柵、正方形復(fù)振幅光柵和六邊形微透鏡陣 列之間切換時(shí)，可以使工作模式在三波、四波和六波之間切換； 四波橫向剪切干涉儀的干涉條紋光強(qiáng)表達(dá)式為：
其中Itl為z = 0處的光強(qiáng)，其中d為光柵周期，z為光柵到觀察屏之間的距離； 四波橫向剪切干涉儀的靈敏度由d/z決定； 四波橫向剪切干涉儀在方向XiI的動(dòng)態(tài)范圍為：
其中i為在該方向上的條紋寬度，λ為光波長(zhǎng)；
通過編程改變d的大小就能改變四波橫向剪切干涉儀的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種實(shí)現(xiàn)可編程多波橫向剪切干涉儀的方法，包括步驟：(1)確定靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍要求；(2)確定工作模式，包括：三波橫向剪切干涉儀/四波橫向剪切干涉儀/六波橫向剪切干涉儀；(3)計(jì)算干涉儀所需的光柵復(fù)振幅透過率分布；(4)用純相位空間光調(diào)制器生成多波橫向剪切干涉儀的衍射光柵；(5)將圖像傳感器作為接收屏放置在出射光路上，經(jīng)過純相位空間光調(diào)制器反射的反射光在接收屏上相干疊加形成干涉條紋，對(duì)圖像傳感器探測(cè)得到干涉條紋進(jìn)行計(jì)算獲得波前斜率信息，進(jìn)而復(fù)原波前；(6)通過編程改變工作模式，改變四波橫向剪切干涉儀的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍；實(shí)現(xiàn)了測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度可編程的功能，同時(shí)還為在三波、四波和六波橫向剪切干涉儀之間的切換提供了便利。
【IPC分類】G01J9-02
【公開號(hào)】CN104655291
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510115262
【發(fā)明人】陳小君, 董理治, 王帥, 楊平, 許冰, 何星
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所
【公開日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年3月16日